Titelaufnahme

Titel
Analysis of retinal cell excitation with visual neuroprostheses / Susanne Resatz
VerfasserResatz, Susanne
Begutachter / BegutachterinMayr, Winfried ; Rattay, Frank
Erschienen2005
Umfang125 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Netzhaut / Implantat / Zelle / Anregung / Finite-Elemente-Methode / Computersimulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-14872 Persistent Identifier (URN)
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Analysis of retinal cell excitation with visual neuroprostheses [3.68 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Motivation. Retina Implantate sollen blinden Menschen das Sehen ermöglichen, deren Sehverlust auf die Degeneration der Photorezeptoren zurückzuführen ist, und deren Bipolar- und Ganglienzellen noch in der Lage sind die Information zum Gehirn weiterzuleiten. Bei der elektrischen Stimulation des verbliebenen retinalen Netzwerks werden künstliche Signale generiert, mit dem Ziel sinnvolle optische Sinneseindrücke zu erzeugen. Um dieses komplexe Ziel zu verwirklichen muss in einem ersten Schritt erforscht werden, welche neuronalen Elemente das angelegte elektrische Feld erregt, um in einem zweiten Schritt ein Elektrodendesign entwickeln zu können, das diejenigen Strukturen aktiviert von denen man sich reproduzierbare, klar abgegrenzte visuelle Wahrnehmungen erwartet.

Methoden. Die Simulation der Erregungsprozesse der retinalen Zellen erfolgte in zwei Schritten. Zuerst wurde das extrazelluläre Potential für die neuronale Struktur errechnet, entweder mit dem finiten Element Programm FEMLAB unter Berücksichtigung der verschiedenen Strukturen des Auges oder analytisch in einem einfacheren Ansatz unter der Annahme eines unendlichen homogenen Mediums. In einem zweiten Schritt erfolgte die Analyse der Reaktion der Bipolar- und Ganglienzellen durch ein Kompartment-Modell.

Resultate. Die Simulationen zeigten, dass die beiden untersuchten Zelltypen vollkommen unterschiedlich auf ein elektrisches Feld reagieren. Zum Beispiel ist es möglich, dass die Bipolarzellen die von einem epiretinalen Implantat weiter entfernt liegen als die Ganglienzellen, trotzdem eine höhere Membranspannung erreichen. Die Orientierung der lokalen Zellstruktur relativ zu dem angelegten elektrischen Feld ist dabei der ausschlaggebende Faktor. Basierend auf der Beobachtung, dass lang gestreckte Elektroden ein Feld erzeugen, das die Erregung von parallel verlaufenden Strukturen hemmt, wurde eine Elektroden Konfiguration zur selektiven Stimulation entwickelt. Direkt unter dem Implantat gelegene Zellen werden erregt, aber die problematische Aktivierung von Axonen, die von entfernt gelegenen Teilen der Retina kommend unter der Stimulations-Elektrode vorbei führen wird vermieden.

Folgerung. Die gegenständliche Anwendung zeigt sehr deutlich das enorme Potential aktueller Simulationstechniken für die Entwicklung komplexer Neuroprothesen. Auch wenn im Fall des entworfenen Retinaimplantats eine klinische Validierung noch aussteht, konnte klar gezeigt werden, dass die eingebrachten neuartigen Detailanalysemethoden denkbaren experimentellen Herangehensweisen weit überlegen und geeignet sind, den Entwicklungsprozess substantiell zu beschleunigen und zu verbessern.

Zusammenfassung (Englisch)

Objectives. A retinal prosthesis has the potential to restore vision to patients with blindness caused by photoreceptor degeneration like retinitis pigmentosa and age related macular degeneration. People suffering from these devastating diseases retain functioning bipolar and ganglion cells, which relay retinal input to the brain. By electrical stimulation of the retina this intact network is used to send artificial signals via optic nerve to the brain with the aim to lead to meaningful visual percepts in blind patients. To perform this complex task the first step is to analyze which neuronal structures are excited by the electric current, and in a second step an electrode design has to be developed to target the elements which are expected to lead to localized, reproducible visual perceptions.

Methods. The excitation process of the electrically stimulated retinal cells is simulated in a two step procedure. In the first step the extracellular potential along the neural structure is calculated either with the finite element software FEMLAB considering the volume conductor inhomogeneities of the eye or analytically in a simpler approach assuming an infinite homogenous medium. In a second step ganglion and bipolar target cells are represented by compartment models and the membrane voltage response is analyzed either with the activating function concept or according to nonlinear membrane kinetics.

Results. The simulations show that the two investigated retinal cell types react completely different to an applied electric field. Although bipolar cells are positioned below the ganglion cells concerning the retinal surface that is more distant to the epiretinal electrode, it is possible that they answer with stronger transmembrane voltage. It turns out that the cell geometry, or more precisely the orientation of the specific neural elements relative to the applied electric field, is the determining factor in electrical stimulation. The obtained insights were used to develop an electrode configuration for selective activation of the underlying target cells that avoids co-stimulation of bypassing fibers from distant regions of the retina. Based on the observation, that long stimulating elements parallel to the main directions of the axonal pathways antagonize their excitation, the main idea of the implant design is that each line of electrodes of an array is in contact with a long slot filled with conducting material. This was done with awareness of the safety charge limits, which are a critical factor in retinal prosthesis technology.

Conclusions. The underlying application clearly demonstrates the enormous potential of contemporary simulation techniques for the development of complex neuroprostheses. Though the clinical validation of the designed retinal implant is still open, it is obvious, that the applied new detail analysis methods are by far superior to all conceivable experimental approaches and speed up and improve the development process substantially.