Title: Influence of the sodium channel band on retinal ganglion cell excitation during electric stimulation - A computer simulation; a computer simulation
Language: English
Authors: Werginz, Paul
Qualification level: Diploma
Keywords: Natriumkanaldichte; Computersimulation; Elektrostimulation; Retina Implantat; Aktivierungsfunktion; Finite Elemente
sodium channel density; computer simulation; electric stimulation; retinal implants; activating function; finite elements
Advisor: Rattay, Frank
Issue Date: 2012
Number of Pages: 79
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Retina-Implantate in klinischer Anwendung haben gezeigt dass man blinden Menschen mithilfe von Elektrostimulation visuelle Wahrnehmungen vermitteln kann. Bis solche Implantate jedoch höher-qualitative visuelle Eindrücke erzeugen können müssen noch einige Hürden bewältigt werden.
Experimentelle Ergebnisse zeigen dass verschiedene Zelltypen der Retina stimuliert beziehungsweise aktiviert werden können. Diese Arbeit zielt darauf ab einen besseren Einblick über das Verhalten retinaler Nervenzellen während Elektrostimulation zu erhalten.
Elektrostimulation mittels der Verwendung von Retina-Implantaten ermöglicht es blinden Menschen eine rudimentäre Art des Sehens wiederzuerlangen. Die erzeugten Eindrücke, auch 'Phosphene' genannt, sind jedoch sehr inkonstant und können deshalb keine hochwertigen visuellen Wahrnehmungen vermitteln. Das bessere Verständnis der Funktionsweise retinaler Nervenzellen, speziell retinaler Ganglienzellen, unter dem Aspekt der Elektrostimulation wird dabei helfen ausgefeiltere Stimulationsstrategien zu entwickeln. Spezielle anatomische und physiologische Eigenschaften wie ein Band mit hoher Natriumkanaldichte könnten dabei helfen eine spezifischere Aktivierung von Zellen zu erreichen.
Das nah dem Soma proximal gelegene Axon einer retinal Ganglienzelle zeigt eine spezielle biophysikalische Eigenschaft. Schwellwerte für Elektrodenpositionen nahe dem Band mit hoher Natriumkanaldichte zeigen ein Minimum während Elektrostimulation (Fried et al, 2009). Die (modellierten) Schwellwerte dieser Struktur bestätigen diese Ergebnisse.
Der Einfluss auf die Stelle wo ein Aktionspotential im Axon entsteht ist weitreichend. Wenn eine Stimulationselektrode weit außerhalb des Bandes positioniert wird entsteht das resultierende Aktionspotential noch immer im Bereich des Bandes mit hoher Natriumkanaldichte. Diese Erkenntnis unterstützt die weitere Untersuchung der entscheidenden Komponenten auf welchen die Aktivierung retinaler Ganglienzellen beruht. Die fokale Aktivierung ohne die Beeinträchtigung von vorbeiziehenden Axonen weit entfernter Nervenzellen wird die weitere Entwicklung von Retina-Implantaten und die klinischen Resultate verbessern.

Retinal implants in clinical trials show that electric stimulation is able to elicit perceptions in patient suffering from blindness. However, there are many obstacles to overcome until such devices will be able to restore vision of higher quality. Experimental studies showed that various cell types within the retina can be stimulated and activated, respectively. To gain a better insight in the behavior of retinal nerve cells during electric stimulation this computational study is performed. Electric stimulation using retinal implants allows blind people to re-experience a rudimentary kind of vision. The elicited percepts or so called 'phosphenes' are highly inconstant and therefore do not restore vision properly. The better knowledge of how retinal neurons, especially retinal ganglion cells, respond to electric stimulation will help to develop more sophisticated stimulation strategies. Special anatomic and physiologic properties like a band of highly dense sodium channels in retinal ganglion cells may help to achieve a focal activation of target cells and as a result better restoration of vision.
The very first portion of retinal ganglion cell axons shows a specific biophysical property. Electrode locations close to a band of sodium channels which was identified immunochemically show lowest thresholds during electric stimulation (Fried et al, 2009). The (modeled) thresholds for this kind of structure result in lowest thresholds as well. The influence on the location where action potentials are generated within the axon is far reaching. When a stimulating electrode is positioned far outside the actual band region the site of spike initiation still remains within the sodium channel band. This finding suggests to examine the key mechanisms of activation for retinal ganglion cells because focal activation without influencing passing axons of neurons located far away will improve retinal prostheses and the outcome of electric stimulation.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-46454
http://hdl.handle.net/20.500.12708/11404
Library ID: AC07812976
Organisation: E101 - Institut für Analysis und Scientific Computing 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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