用于视觉假体研究的视网膜神经元计算建模——基本方法

该方案有助于预测神经细胞对不同刺激的反应，使我们能够在无需物理原型或活体组织的情况下探索神经刺激领域的新构想。它可作为初步研究，用于验证那些难以通过物理方式模拟的概念，具有成本低、耗时少的优势，能够高效测试大量参数。该方法不仅适用于视网膜，还可用于预测其他神经刺激系统中的神经反应。

它不仅限于电刺激，也可用于光刺激。首先，运行FEM软件，点击模型向导，然后选择3D。在物理场选择列表框中，展开AC/DC，然后选择电场和电流。

点击研究，然后在常规研究选项下添加一个稳态研究，接着点击完成。在几何设置中，将长度单位从米更改为微米。右键单击几何 1，然后点击块体以创建一个块体域。

重复此步骤两次，共创建三个模块。对于所有模块，将深度和宽度均设置为 5,000 微米，并为每个模块指定高度值。将基底选项更改为居中，并为每个模块分配 Z 值。

为了在模型中添加电极而创建一个工作平面，右键单击模型树中的几何体1，然后选择工作平面。单击工作平面1，将平面类型更改为面平行。单击平面类型下方的激活选择按钮，然后选择块1的底面。

单击参数一并定义电极半径的值。要在工作平面上绘制圆盘电极，单击工作平面一下方的平面几何，然后在主工具栏中单击草图。选择圆形，在图形选项卡内的矩形中任意位置单击，然后拖动以创建圆盘电极。

将半径更改为微米的预设值，xw 和 yw 更改为零微米，然后单击“构建全部”。在模型树中，右键单击“材料”，然后单击“空白材料”，再单击“材料 1”并将选择更改为手动。单击图形窗口中的域，使得仅选择域 1。

选择材料属性、基本属性，然后点击电导率，并点击添加至材料按钮。将电导率值更改为 0.043 西门子/米。对区域二和区域三重复上述步骤，其电导率值分别为 0.7 和 1.55 西门子/米。

要对3D模型进行网格划分，请转到模型树，右键单击“mesh one”，然后点击“free tetrahedral”。单击“free tetrahedral one”并选择“build all”。要将物理场应用于有限元法（FEM），请在模型树中展开“electric currents one”，并检查是否列出了“current conservation one”、“electric insulation one”和“initial values one”。

然后右键单击电流。接着单击接地，并将其应用于距离电极最远的表面。接下来，再次右键单击电流。

然后单击分配给圆盘电极的浮地电位，并将 I0 值更改为一微安，以施加一个单位电流。要使用参数化扫描运行仿真，请在模型树中右键单击“study one”（研究 1），然后单击“parametric sweep”（参数化扫描）。单击“parametric sweep”（参数化扫描），在研究设置表中单击“add”（添加），然后为参数名称选择 elec_rad。

在参数值列表中输入 50、150、350、500，并将参数单位设为 micrometer。然后单击 compute 以运行研究。要使用 CellBuilder 功能导入形态，请从 NEURON 计算套件的安装文件夹中运行 nrngui。

接下来，单击工具，然后单击杂项，导入3D，接着勾选“选择文件”框。找到已下载的SWC文件，然后单击读取。几何结构导入后，单击导出，然后选择CellBuilder。

要创建导入细胞形态的 HOC 文件，请转到子集选项卡并查看模型中已预定义的子集。勾选连续创建框，进入管理界面，然后点击导出，将形态导出为 rgc.hoc。要查看细胞的形态，点击工具、模型视图、真实细胞之一。

然后单击工具栏上的 root soma zero。在弹出的窗口中右键单击，选择访问类型并查看访问权限。通过视觉观察，该模型的树突场直径应约为 250 µm。

暂时关闭 NEURON 窗口。打开 FEM 软件，进入应用构建器。

在“应用程序构建器”树中的方法上单击右键。选择新建方法，然后单击确定。转到文件，然后单击首选项和方法。

勾选“查看所有代码”框，然后点击确定。编写 HOC 文件，将神经元片段的坐标加载到文本文件中。使用 FEM 方法脚本移动数值以匹配目标位置，并保存包含细胞新位置坐标值的文本文件。

打开 COMSOL 方法并保存偏移后的坐标和电压值。要在有限元软件中运行自动化步骤，请切换到模型构建器，选择“开发人员”下的“运行方法”，然后点击“方法一”。这将生成包含相应电压值的 DAT 文件。

通过打开选定的集成开发环境（IDE），点击新建文件以创建新脚本，从而在通用编程语言中循环运行模拟，具体操作依据文稿中的描述确定。最后，点击运行或按 F5 键执行脚本，这将同时启动 NEURON 计算套件的图形用户界面（GUI）。在 NEURON 计算套件的图形用户界面中绘制 NEURON 模型对细胞外刺激的响应图。

为此，请运行 stimulation.hoc，单击图形，然后从工具栏中单击电压访问，在图形窗口中任意位置右键单击并选择“绘制什么？”，输入 axon。

在用于绘图的变量字段中选择 v1，这意味着将绘制轴突末段跨膜电位随时间步长的变化。本研究所描述的模型证实，在 0.25 毫秒脉冲宽度下，增大脉络膜上电极尺寸会提高模型神经元的激活阈值。通过观察动作电位特征以验证该模型。

潜伏期或刺激开始与动作电位峰值之间的时间范围为1至2.2毫秒。这对应于由于非网络介导的视网膜激活所引起的短潜伏期放电。该模型的峰宽为1毫秒，与体外测量的兔视网膜神经节细胞（RGCs）的峰宽范围相同。

当轴突的狭窄段恰好位于圆盘电极上方时，模型显示出最低的激活阈值，且随着X方向距离的增大，阈值随之升高。由于轴突始段及钠离子通道更为密集的狭窄段的存在，将电极进一步移向轴突远端所产生的阈值，低于将电极移向树突方向时的阈值。所述方法易于应用，可加速研究人员针对新型刺激方法或神经电极设计进行概念验证的开发。