萎縮した網膜への「電子視細胞」の最適な結合について

On optimal coupling of the "electronic photoreceptors" into the degenerate retina.

• Paul Werginz
• Bing-Yi Wang
• Zhijie Charles Chen
• Daniel Palanker

抄録

萎縮性加齢黄斑変性症の視力回復のためには、失われた光受容体を電子インプラントに置き換えることで、光受容体の2つの主要な機能を再現することができます。(1)光を電気信号に変換する機能、(2)視覚情報を網膜神経ネットワークの二次ニューロンであるバイポーラ細胞(BC)に伝達する機能である。我々は、「電子光受容体」による網膜信号処理が可能な限り自然に近い状態を維持するような電気刺激スキームを最適化するために、網膜下インプラントによるBCの活性化の選択性と、脈動波形に対するBCの応答のダイナミクスを研究しています。予測された応答は、様々な周波数,パルス持続時間,交互格子の下で、対応する実験結果と比較した。さらに、電場の空間的閉じ込めを介した刺激の選択性を評価するために、3次元有限要素モデルを用いて様々な電極構成について電場を計算した。モデル化されたBC媒介の網膜反応は、一般的に以前に発表された実験結果とよく一致している。BCの時間的フィルタリングと整流機能を支えるリボンシナプスにおけるカルシウムポンプと神経伝達物質放出の速度論は、高周波パルス刺激による自然なBC応答の模倣を可能にし、それによってフリッカー融合、静的刺激への適応、受容野におけるサブユニットの非線形和算などの網膜信号処理の特徴を維持することができる。加齢黄斑変性で網膜神経ネットワークが大部分まで保存されている場合、細胞外電場の適切な空間的・時間的変調を伴うBCの選択的刺激は、自然な網膜信号処理の多くの特徴を保持し、それ故に高度に機能的な視力の回復を可能にする可能性があります。

To restore sight in atrophic age-related macular degeneration, the lost photoreceptors can be replaced with electronic implants, which replicate their two major functions: (1) converting light into an electric signal, and (2) transferring visual information to the secondary neurons in the retinal neural network - the bipolar cells (BC). We study the selectivity of BC activation by subretinal implants and dynamics of their response to pulsatile waveforms in order to optimize the electrical stimulation scheme such that retinal signal processing with "electronic photoreceptors" remains as close to natural as possible.A multicompartmental model of a BC was implemented to simulate responses of the voltage-gated calcium channels and subsequent synaptic vesicle release under continuous and pulsatile stimuli. We compared the predicted response under various frequencies, pulse durations, and alternating gratings to the corresponding experimental measurements. In addition, electric field was computed for various electrode configurations in a 3-d finite element model to assess the stimulation selectivity via spatial confinement of the field.The modeled BC-mediated retinal responses were, in general, in good agreement with previously published experimental results. Kinetics of the calcium pumps and of the neurotransmitter release in ribbon synapses, which underpin the BC's temporal filtering and rectifying functions, allow mimicking the natural BC response with high frequency pulsatile stimulation, thereby preserving features of the retinal signal processing, such as flicker fusion, adaptation to static stimuli and non-linear summation of subunits in receptive field. Selectivity of the BC stimulation while avoiding direct activation of the downstream neurons (amacrine and ganglion cells - RGCs) is improved with local return electrodes.If the retinal neural network is preserved to a large extent in age-related macular degeneration, selective stimulation of BCs with proper spatial and temporal modulation of the extracellular electric field may retain many features of the natural retinal signal processing and hence allow highly functional restoration of sight.

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