Neuronal activation characteristics in the electrically stimulated retina : a model-based study

Abstract

Die Entwicklung von Netzhautimplantaten ermöglicht es blinden Menschen eine einfache Art des Sehens wiederzuerlangen. Patienten, die an einer Degeneration ihrer Photorezeptoren, Zellen die das einfallende Licht in Nervensignale umwandeln, leiden, können mittels Elektrostimulation rudimentäre Seheindrücke zurückerlangen. Das Ziel der präsentierten Modellierung war es zum Verständnis der Vorgänge in der elektrisch stimulierten Netzhaut beizutragen. Subretinale Implantate im Bereich der degenerierten Photorezeptoren stimulieren in erster Linie Bipolarzellen und können weit entfernte Ganglienzellen nur mit hohen Stimulationsamplituden anregen. Mit epiretinalen Implantaten hingegen wird die Retina von der inneren Seite aus stimuliert und damit werden vorrangig die sensiblen Axone von Ganglienzellen aktiviert. Eine Vielzahl an Erregungs-Phänomenen welche von Stimulusstärke, Polarität, Zellgeometrie, Ionenkanaltypen und anderen geometrischen und elektrischen Parametern abhängen wurde systematisch untersucht. Die neuronale Antwort wurde in einem zweistufigen Verfahren simuliert: i) das elektrische Feld, welches von einer Elektrode hervorgerufen wird, wurde entweder mit der Methode der finiten Elemente oder mit einer einfachen analytischen Lösung für Punktquellen berechnet und ii) die resultierenden elektrischen Potenziale wurden als Eingangsparameter für ein Multi-Kompartment Modell verwendet. Zusätzlich wurde ein einfaches Synapsenmodell entwickelt, welches die Freisetzung von Neurotransmittern an Ribbon-Synapsen an den Enden von Bipolarzellen simuliert. Es wurde gezeigt, dass längerer Axone in ON-Bipolarzellen zu einer stärkere Polarisation der Zellmembrane als in OFF-Bipoalrzellen führen. Depolarisation und die einhergehende Freisetzung von Neurotransmittern an den Enden von Bipolarzellen konnte nur durch anodische Stimulation von subretinaler Seite erzeugt werden. Stimulation von Bipolarzellen über das Nernst-Potenzial von Kalzium hinaus führte zu invertierten Kalziumströmen in den synaptischen Enden. Diese auswärtsgerichteten Ströme waren nicht dazu in der Lage die intrazelluläre Kalziumkonzentration hinreichend zu erhöhen um eine Ausschüttung von Neurotransmittern auszulösen. überraschenderweise führten diese invertierten Kalziumströme bei Stimulation einer Vielzahl von Bipolarzellen im Umkreis von 100x100µm zu einem ausgeprägten Center-Surround Effekt. Dabei konnten drei Stimulationsverläufe unterschieden werden: i) Stimulation mit niedrigen Amplituden war nicht in der Lage Zellen zu aktivieren (unterer Schwelle), ii) Stimulation mit mittleren Amplituden regte nur Zellen an welche nahe an der Stimulationselektrode lagen und iii) Stimulation im Regime der invertierten Ströme verhinderte Aktivität in Bipolarzellen nah an der Elektrode führte jedoch zu einer Freisetzung von neuronalen Botenstoffen in weiter entfernten Zellen (oberer Schwelle). Das große Ziel für eine erhöhte räumliche Auflösung ist eine fokale, d.h. innerhalb eines räumlich begrenzten Gebiets, Anregung von Ganglienzellen. Die Membraneigenschaften wie die spezifische Verteilung von Natriumkanälen verschiedener Sensitivität (Nav1.2 & Nav1.6) wurden im Modell beachtet. Während epiretinaler Stimualtion hatten vorbeiziehende Axone einen um 120% erhöhten Schwellwert gegenüber dem niedrigsten Schwellwert im proximalen Teil des Axons. Der dadurch entstehende Arbeitsbereich konnte dazu genutzt werden um eine kleine Anzahl von Ganglienzellen zu aktivieren ohne eine Co-Aktivierung von weit entfernten Ganglienzellen hervorzurufen. Kathodische Stimulation resultierte generell in niedrigeren Schwellwerten und der Ort der Signalentstehung war einfacher nachzuvollziehen. Für anodische Stimulation ergaben sich komplizierte Aktivierungsmuster die es verhinderten generelle Regeln für den Entstehungsort eines Aktionspotenzials abzuleiten. Zusätzlich wurde festgestellt, dass auch der dendritische Teil von Ganglienzellen während epiretinaler Stimulation zur Signalaktivierung beitragen kann. Faserenden zeigten erniedrigte Schwellwerte und spielten deshalb, unter gewissen Umständen, eine wichtige Rolle in der Entstehung von Aktionspotenzialen. Die Latenzzeit von Aktionspotenzialen wurde außerdem als guter Indikator für den Ort der Signalentstehung bestimmt. Simuliertes Zufallsrauschen des Membranpotenziales erlaubte es die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung eines Aktionspotenzials zu berechnen und simulierte Ergebnisse deckten sich mit experimentellen Befunden. Zusammengefasst befasste sich die vorgestellte Arbeit mit den räumlichen und zeitlichen Charakteristika des Antwortverhaltens retinaler Neurone während Elektrostimulation. Spezielles Augenmerk wurde auf die Ausschüttung neuronaler Botenstoffe in Bipolarzellen und dem Ort der Signalentstehung in Ganglienzellen gelegt. Einige der Schlussfolgerungen dieser Arbeit wurden mit vereinfachten Modellneuronen simuliert während andere mittels Geometriedaten aus Experimenten modelliert wurden.

Using inner eye prostheses, the restoration of vision to the blind has achieved a low level which hopefully will be enhanced in the future. Patients suffering from degeneration of their photoreceptors, cells which modulate light input to neuronal output, can regain visual perceptions by electrically stimulating the remaining retinal neurons. The aim of the investigated modeling approach was to contribute to the understanding of the responses of extracellularly stimulated bipolar and ganglion cells, the primary target cells of current retinal implants. Related to physiological vision, subretinal implants should primarily cause graded potentials in bipolar cells, whereas higher stimuli are needed to directly excite ganglion cells as they are more distant to the electrodes. Epiretinal implants stimulate the retina from the inner portion of the retina with the sensitively excitable axons of ganglion cells closest to the electrodes. Plenty of stimulus-response phenomena, depending on stimulus strength, polarity, cell geometry, ion channel types and other geometric and electrical parameters were systematically investigated. The neural response was calculated in a two-step procedure: i) the electrical field was either obtained with the finite element method or with a simpler analytical approach for point sources and ii) the response of a model neuron was computed by employing a multi-compartment model with the applied electric field as input parameter. Additionally, a model for neurotransmitter release from ribbon synapses at bipolar cell terminals was developed in order to study the temporal impact of L-type calcium channels. Membrane polarization was shown to be stronger for ON than for OFF bipolar cells because of their longer axonal processes. Depolarization of synaptic terminals and consequent vesicle release was only triggered by anodal subretinal stimulation. Strong depolarization above the Nernst potential of calcium, however, led to reversed calcium currents in synaptic terminals. These outward currents prevented an increase of intracellular calcium concentration and consequently less or no neurotransmitter were released. Surprisingly, by stimulating multiple bipolar cells located within a region of 100x100µm the calcium reversal led to a pronounced center-surround effect of vesicle release. That is, three stimulation regimes could be discriminated: i) stimulation at low amplitudes did not activate bipolar cells at all (lower threshold), ii) stimulation at appropriate amplitudes only activated bipolar cells close to the stimulating electrode and iii) stimulation in the current reversal regime shut down cells located near the electrode but activated distant cells (upper threshold). The major goal for spatial visual performance is to activate ganglion cells focally, i.e. within a closely spaced region on the retina. Membrane-specific properties such as a distinct distribution of sodium channels of different opening sensitivity (Nav1.2 & Nav1.6) were included into the ganglion cell model. During epiretinal cathodic stimulation, passing axons had thresholds approximately 120% higher than lowest thresholds at the proximal portion of the ganglion cell axon. Consequently, the arising operating window could be used to focally activate a number of ganglion cells without co-activating passing axons from ganglion cells located far away. Generally, thresholds were lower during cathodic stimulation and the site of spike initiation was easier to predict. Anodic stimulation, on the other hand, resulted in complicated activation patterns which hindered to derive general rules for determination of the site of spike initiation. Additionally, simulations suggest that the dendritic portion of the target ganglion cell is also of high importance in spike generation, even when stimulation is applied epiretinally. Dendritic edge compartments (i.e. fiber ends) turned out to have lowered thresholds and therefore played an important role in spike generation under certain circumstances, especially during subretinal stimulation. Furthermore, spike latency was shown to reliably act as a good predictor for site of spike initiation. Adding a noisy transmembrane current component allowed to compute spiking probability as a function of stimulus amplitude resulting in sigmoid response curves similar to experimental determined data. In sum, the spatial and temporal response of retinal neurons was monitored during electrical stimulation with a special emphasis on neurotransmitter release in bipolar cells and the site of spike initiation in ganglion cells. Some of the conclusions could even be found using extremely simplified model neurons, others were confirmed simulating the geometric data of real cells.