شبيه ‍سازي تحريك الكتريكي سلول‍هاي گانگليون در پروتزهاي بينايي

Modeling of Electrical Stimulation of Ganglion Cells in Visual Prostheses

به‌كارگيري مناسب و موثر تحريك الكتريكي در ساخت پروتزهاي عصبي، نيازمند شناخت دقيق چگونگي تاثير تحريك الكتريكي بر عملكرد سيستم عصبي است. در گام اول براي تحقيق درباره عوامل موثر بر ايجاد تحريك مناسب مي‌توان از مدل‌هاي رياضي و شبيه سازي كامپيوتري استفاده كرد. در اين مقاله، پروتزهاي روشبكيه‌اي بررسي و پاسخ سلول‌هاي گانگليون(كه هدف تحريك در پروتز روشبكيه‌اي هستند)به تحريك اعمال شده از طرف ميكروالكترودها شبيهسازي شدند. فرآيند شبيهسازي تحريك الكتريكي سلولهاي گانگليون در دو مرحله صورت گرفت:در مرحله اول يك سلول گانگليون با در نظر گرفتن تمام بخشهاي تشكيل دهنده آن شبيهسازي شد ؛ در مرحله دوم پتانسيل الكتريكي توزيع شده در اطراف سلول، در طول بخشهاي تشكيل دهنده سلول محاسبه و در نهايت پاسخ ولتاژ غشاي سلول به تحريكها بررسي شد. در اين شبيهسازي ،برخلاف مدل‌هاي پيشين، مورفولوژي تمام قسمت‌هاي تشكيل دهنده سلول مد نظر بوده است. محاسبات مربوط به توزيع پتانسيل الكتريكي نيز در تمام بخش‌هاي سلول به صورت سهبعدي انجام شد. منبع تحريك به صورت يك الكترود نقطهاي در محيط نامحدود و همگن در نظر گرفته شد و براي اعمال جريان تحريك پالسهاي تك فاز و دوفاز به كار رفت. نتايج نشان ميدهد كه پاسخهاي به دست آمده با مقادير و نمودارهاي حاصل از آزمايش هاي تجربي، در مقايسه با مدلسازيهاي پيشين، مطابقت بيش تري دارد . نتايج حاصل از توسعه مدل ميتواند در پيشبيني اثر تحريك اعمال شده بر سلولها و نيز بهبود روشهاي تحريك به كار رود.

Objective: In order to properly and effectively perform electrical stimulation in neural prostheses one should understand the effects of stimulation on the operation of the neural system. Method: To come up with proper physical and electrical stimulation parameters, the first step is to perform mathematical modeling and computer simulations. This paper studies the response of ganglion cells to electrical stimulations in an epiretinal visual prosthesis received from a microelectrode array. The excitation process of the electrically stimulated retinal cells is simulated in a two step procedure. In the first step, the target ganglion cell is represented with all its compartments. In the next step, the resulting extracellular potential is calculated along the neural structure, and finally, the voltage response of the cell membrane to the applied stimulation is analyzed. Unlike the models that have previously appeared in the literature, here the morphology of all compartments of the model cell are considered. Moreover, the electrical potential along all of the three-dimensional compartments is calculated for the duration of the stimulation process. The stimulation source is considered as a point electrode in an infinite and homogenous environment. In the simulations both monophasic and biphasic current pulses are used. Results: The results show that the responses are in accordance with the values and diagrams of experimental results of previous literature. Conclusion: The results predicted by the model that is proposed in this work exhibit higher accuracy than the results of other models.