Modeling Effects of Extracellular Stimulation on Retinal Bipolar Cells

Abstract

Neuroprosthetic retinal implants have been developed to restore vision in profoundly blind patients suffering from degenerative retinal diseases such as Retinitis Pigmentosa. The Tübingen subretinal implant project is currently conducting a multi-center clinical study with promising results. However, several issues remain unsolved and decrease the quality of visual percepts elicited by the subretinal implant. One of the reasons may be the simultaneous stimulation of opposing retinal ON and OFF pathways. The present thesis describes the development of a realistic computational model of retinal bipolar cells and the biophysical events leading to activation of the retinal network during extracellular electrical stimulation. Retinal bipolar cells are the focus of this model, since they initiate ON and OFF pathways and are the primary target for stimulation with subretinal implants. The electric potential induced by the electrodes of the implant was calculated using a Finite Element Method. Monopolar and dipolar electrode configurations were implemented. Published imagery of retinal bipolar cells was used to create realistic morphological models. Passive and active membrane models were used for calculation of transmembrane voltage and ionic currents. While the passive model assumed constant conductances, the active model included several systems of differential equations for calculation of voltage-dependent ion channel gating mechanisms and intracellular calcium concentration. Two different active models have been created for ON and OFF cone bipolar cells. The inventory of ion channels used in the models was based on a literature review including all voltage-gated ion channels that have been found in retinal cone bipolar cells of the rat. For each ion channel type, an existent model was adapted or a new model was created, based on data from published electrophysiological recordings. Several simulations were conducted with monopolar and dipolar configurations, single and multiple electrodes, the passive and the active model, monophasic and biphasic pulses as well as repetitive stimuli. Intracellular calcium concentration changes in the synaptic axon terminals were used as the main indicator for neuronal activation. A series of simulations with different combinations of biphasic pulses revealed that ON cone bipolar cells may respond preferentially to biphasic pulses with a short strong cathodic phase and a long weaker anodic phase when compared to OFF cone bipolar cells. It should be noted, that these results are based on several assumptions that have been made during the development of the computational model. However, preliminary electrophysiological recordings using this specific stimulus paradigm suggested that a certain differential effect on ON and OFF cone bipolar cells may in fact exist and that further experiments should be conducted for a better understanding of this phenomenon.

Neuroprothetische Retina-Implantate wurden entwickelt um bei Patienten, die an degenerativen retinalen Erkrankungen wie zum Beispiel Retinitis Pigmentosa erblindet sind, die Sehkraft wieder herzustellen. Im Rahmen des Tübinger Retina-Implant Projektes wird momentan eine klinische Multicenter Studie mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt. Verschiedene Probleme jedoch, führen zu einer verminderten Qualität der von den Patienten wahrgenommenen Seheindrücke. Ein Grund hierfür könnte die simultane Aktivierung der entgegenwirkenden retinalen ON und OFF Pfade sein. In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines realistischen Computermodells von retinalen Bipolarzellen und der biophysikalischen Vorgänge, welche zur Aktivierung des retinalen Netzwerkes bei extrazellulärer elektrischer Stimulation führen, beschrieben. Das Modell ist auf retinale Bipolarzellen fokussiert, da sie das Hauptziel der elektrischen Stimulation sind und bei ihnen die erste Unterscheidung zwischen retinalen ON und OFF Pfaden gemacht wird. Das von den Elektroden angelegte extrazelluläre elektrische Potential wurde mit der Finite Elemente Methode sowohl für monopolare als auch für dipolare Elektrodenkonfigurationen berechnet. Zuvor publizierte Abbildungen retinaler Bipolarzellen wurden für die Erstellung eines realistischen morphologischen 3D Modells verwendet. Passive wie auch aktive Membranmodelle wurden zur Berechnung der Transmembranspannung verwendet. Im passiven Model wurden konstante Leitfähigkeiten angenommen, wohingegen das aktive Modell anhand mehrerer Differentialgleichungssysteme die Regulation spannungsabhängiger Ionenkanäle wie auch die intrazelluläre Calciumkonzentration berechnete. Zwei Modelle wurden zur Repräsentation von ON und OFF Zapfenbipolarzellen entwickelt. Die genauen Eigenschafteen der verschiedenen aktiven Ionenkanalmodelle basierten auf einer Literaturrecherche zum Thema, welche sämtliche bisher publizierten spannungsgesteuerten Ionenkanäle der Zapfenbipolarzellen der Ratte beinhaltete. Für jeden Ionenkanal wurde ein bereits bekanntes Modell angepasst oder ein neues erstellt, basierend auf publizierten elektrophysiologischen Aufnahmen der Zellen. Verschiedene Simulation mit monopolarer und dipolarer Elektrodenkonfigurationen, einzelnen und mehreren Elektroden, dem passiven und dem aktiven Modell, monophasischen und biphasischen Pulsen und auch wiederholte Stimuli wurden durchgeführt. Der Anstieg intrazellulärer Calciumkonzentration in den präsynaptischen Endungen des Axons wurde als Hauptindikator für neuronale Aktivierung verwendet. Eine Serie von Simulationen verschiedener Kombinationen biphasischer Pulse zeigte, dass ON Zapfenbipolarzellen möglicherweise stärker auf einen Puls mit einer kurzen, starken kathodischen und einer längeren, schwachen anodischen Phase reagieren als OFF Zellen. Bei der Auswertung der Ergebnisse muss berücksichtigt werden, dass die Entwicklung des Computermodells auf einer Anzahl verschiedener Annahmen basiert. Ein vorläufiges elektrophysiologisches Experiment hat jedoch auch Grund zur Annahme erlaubt, dass ein solches Stimulationsparadigma sich möglicherweise tatsächlich unterschiedlich auf ON und OFF Zapfenbipolarzellen auswirkt und weiter untersucht werden sollte.