视网膜神经元细胞电刺激的计算模型.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,视网膜神经元细胞电刺激的计算模型,Robert J.Greenberg,Toby J.Velte,Mark S.Humayun,George N.Scarlatis,Eugene de Juan,Jr.,摘要,电刺激视网膜的局部，能得到相应于刺激电极位置的不连续的视觉，但分辨率差。这种方法能否提供有效视觉，取决于在神经元表面刺激位置的选择。为了研究电极是直接刺激神经节细胞，还是经过其他神经元的节后纤维间接刺激,我们建立了一种用于视网膜神经节细胞(RGC)电刺激的组合模型。在该模型中，在胞外电刺激RGC，设置条件包括有源信道和真实细胞的形态（可以从神经描记图中直接得到）。引用的膜模型有三种：线性无源模型、带无源树突的Hodgkin-Huxley 模型(HH)和由所有有源成分构成(FCM)构成的带有五个非线性离子通道的模型。在细胞上方施加两种电极，一种是理想的单极刺激点和盘状电极。对于HH和FCM模型，传播活动电位的最低阴极阈值位置在胞体上方，在胞体上方的瞬时阴极刺激（100s）比在轴突上方刺激更为有效20（HH模型，盘状电极）到73（FCM模型，点刺激源）。而在无源模型中，轴突刺激比胞体刺激效果要好。虽然在胞体附近电刺激RGC比在轴突刺激时，其阈值可能更低，但这些差别相对来说还比较小。研究早先的病例试验，从而对视觉焦点现象做出合理解释。,关键词：两栖动物，胞外电场，神经节细胞，人类，建模，视网膜，视觉修复,1 引言,先前我们提到过，把直径50-200m间距小于500m的电极加载到视网膜表面的神经节细胞侧面上，RP患者会感受到聚焦（焦点）压眼闪光视觉。患者都没有能看到楔形图样，看到的都是光点或者黑色环围绕的点状图样。,这是些很重要的发现，因为在视网膜表面的任何细节位置，远端的轴突都会覆盖单个神经细胞的胞体。如果优先刺激这些浅表传递纤维，就能激活视网膜上大面积的神经节细胞组。人们可能希望感受到楔形的视觉信息（如果患者的神经节细胞轴突有特定的缺损，则在聚焦区有楔形视觉缺陷，如图1a所示）。而且，因为视觉影像是投射到视网膜表面的，如RGC的刺激区域，与视觉图像的接收区域对应，该反应是符合逻辑的。另一方面，如果刺激神经节细胞的胞体，我们的视觉感受为焦点图样，如图1b。患者（聚焦视网膜消融)看到的是不连续的暗点或者模糊不清的点。显然，与楔形感光或者条纹感光的情况相比，分散点状感光的分辨率较高，图像效果更好。我们可能应该优先刺激神经细胞的树突。（如图1c所示）因为单个神经节细胞的树突投影可以扩散到直径500m的区域，覆盖其他神经节细胞的树突，所以刺激树突可能比刺激胞体造成更大的感光面积。,为检测神经节细胞的刺激阈值，我们需要给它建立电路模型。过去，有过电刺激单个轴突或者胞体的电路模型。大多数分析模型都把细胞膜等同成并联的电阻和电容（典型的RC电路）。无髓神经纤维轴突的无源模型有Rubinstein 和Spelman的。最近，Plonsey 和Barr设计了一个数学仿真模型，涵盖了Hodgkin-Huxley膜的有源性质，该轴突反应假说可能比无源模型更合理的。尽管刺激轴突方面有许多资料需鉴定，但Hause1975年建立的皮层锥体细胞的无源模型，是目前为止唯一的全细胞的胞外刺激模型，且是从神经描记图中得到实际细胞形态的。此外，目前还没有一种模型是通过膜的有源性质来研究完整细胞的。,为了仿真RGC的胞外电刺激模型，我们在三维空间里绘制一个典型的RGC结构示意图。通过Rall17的描述，分割细胞。在这些分割单元（隔间）内，我们把一个理想的单极点刺激或者盘状电极加在胞外的均匀介质中。我们使用多空间刺激软件包NEURON，来测试细胞膜的三种模型，一种无源的和两种有源的模型。我们认为本仿真是在模拟神经元时，第一次考虑有源途径的胞外电场方式和直接源于神经元描记图中的实际细胞形态。,结果表明，刺激RGC胞体或邻近区域的刺激阈值比轴突的低。然而，结果也表明这些阈值的变化，并不足以作为聚焦压眼闪光现象的,唯一,解释。,2 方法,2.1 定义,阴极为单极玻璃电极。,无源模型中的阈值反应（最小刺激电流），定义为传统的15mV的去极化。而有源模型的阈值反应定义为沿着轴突传递的初始动作电位。,细胞兴奋的发生部位设定为在细胞上膜电位最先超过0mV而产生动作电位的部位（阈刺激）。,2.2 模型建立,1）细胞描记和阻抗模型的转换,把描记器（向量实验室，Burlingame,CA）插入两栖动物的神经节细胞内。视网膜被固定好，然后采用神经记录系统记录神经节细胞。树突和轴突的X、Y和Z三个坐标轴方向上，沿着其厚度和等级的构造，采用ASC文件进行记录，包含胞体、树突和轴突的完整三维结构。在Sun IPX 工作站上运行的共享软件工具ntscable(Raimond Winslow写的)，可以把ASC文件转换成能被普通神经仿真器读懂的文件结构，NEURON Windows 3.0版本。Neuron由Michael Hines所写，采用综合方法的完全隐形式（逆向欧拉）。,图2 在对神经节细胞施加胞外刺激的过程中和结束后，神经节细胞的电路框图。三种膜结构并联，以漏电导组成电池与电导串联。膜的无源结构由一个简单的电导组成。而两种有源结构由可变电导加电池组成。电导定义成离子通道的HH公式。电池定义成相应离子的逆转电势。,2）细胞膜的模型,为保证数学方案的准确性，神经节细胞采用9000隔间来建模。每个隔间模型包括并联的胞内阻抗和膜电容。采用了膜的三种模型：线性无源模型、包含无源树突的HH模型，含五个非线性离子通道且密度变化的有源模型。,线性无源模型是把一片膜结构简化成一个并行的RC电路，带漏电流。如前所述，膜电容值和电阻值分别是1F/cm2,和50 000cm2。漏电流的电导可看作70mV的电池串联20S/cm2的电导。在膜的所有仿真中都采用这种无源结构。在仿真开始前，全部的膜电势要初始化为70mV。,几乎所有通道能简化成电压门控电导，但钾通道和钙通道例外，它们是钙离子门控电导（通道）。这种独特的通道动力学组合，能最佳模拟神经节细胞的激活模式。钙离子通道和钾离子通道的电导构成了动作电位的优化特性，包括慢通道特性、重复激活性质，而这仅用HH模型是无法实现的。膜电势的模型采用了Hodgkin/Huxley模式。,（1）,速率常数如m,h,c,n,a 和hA 能解出一阶动力学等式28。,（2）,通过一阶衰减来缓冲内部钙离子浓度Cai。衰减描述为，,（3）,Cainf是钙离子平衡电位（100nM）Ca钙离子移动的时间常数（1.5ms）。,五个通道按密度分布改变每个通道的电导值来进行仿真。这些密度与Fohlmeister等25-27提出的一致。根据轴突的直径，可把轴突分三部分。最小的一部分是轴突从胞体伸出然后延伸到大约30m。第二个部分叫作“细段”，直径很窄，大约60m。剩下的部分很均匀，但直径比细长部大了许多。（表1）。,3）外部刺激单极点声源,外部媒介需用等势线建模，外加电压场例外。建立点电极场持续100s。期间，通过预先计算出单极球面电极在各向同性介质中的电场，实现每个隔间的胞外电势的固定。29,（4）,Ve=,胞外电势,；,I=恒定电极电流；,e=1/(60cm)，正常(0.9%)盐水的阻抗，与玻璃液的阻抗类似30(生物上近似透明的液体，充盈在眼内的球腔)。,r：电极位置和每个隔间的中心之间的距离。电极固定在胞体中心上方30m，这个距离比得上视网膜神经节细胞到内部有限膜的距离（在我们感兴趣的区域）31。,图3表示电极在神经节细胞上方的示意图。测试电极在神经元俯视图的位置，如图4。,距离胞体的线性距离（m）是：（A）轴突上方503，（B）轴突上方130，(C)轴突对面334，（D）与轴突垂直方向160，（E）胞体正上方，（F）轴突垂直方向，（G）轴突对面121。从电极到距离最近隔间中心的垂直距离（页面外）（m）是：(A)33.0,(B)30.0,(C)34.0,(D)30.0,(E)30.0,(F)29.5,(G)38.0.,