Comparison of Retinal Ganglion Cell Responses to Different Voltage Stimulation Parameters in Normal and rd1 Mouse Retina

Retinal prostheses are being developed to restore vision for the blind with retinal diseases such as retinitis pigmentosa (RP) or age-related macular degeneration (AMD). Since retinal prostheses depend upon electrical stimulation to control neural activity, optimal stimulation parameters for successful encoding of visual information are one of the most important requirements to enable visual perception. Therefore, in this paper, we focused on retinal ganglion cell (RGC) responses to different voltage stimulation parameters and compared threshold charge densities in normal and rd1 mice. For this purpose, we used in vitro preparation for the retina of normal and rd1 mice on micro-electrode arrays. When the neural network of rd1 mouse retinas is stimulated with voltage-controlled pulses, RGCs in degenerated retina also respond to voltage amplitude or voltage duration modulation as well in wild-type RGCs. But the temporal pattern of RGCs response is very different; in wild-type RGCs, single peak within 100 ms appears while in RGCs in degenerated retina multiple peaks (~4 peaks) with ~10 Hz rhythm within 400 ms appear. The thresholds for electrical activation of RGCs are overall more elevated in rd1 mouse retinas compared to wild-type mouse retinas: The thresholds for activation of RGCs in rd1 mouse retinas were on average two times higher ($70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$ vs. $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage amplitude modulation and five times higher ($120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$ vs. $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$) in the experiment of voltage duration modulation than those in wild-type mouse retinas. This is compatible with the findings from human studies that the currents required for evoking visual percepts in RP patients is much higher than those needed in healthy individuals. These results will be used as a guideline for optimal stimulation parameters for upcoming Korean-type retinal prosthesis.

정상망막과 변성망막에서 전압자극 파라미터 변화에 따른 망막신경절세포의 반응 비교

색소성망막염(retinitis pigmentosa: RP)이나 연령관련 황반변성(age-related macular degeneration: AMD)과 같은 망막질환으로 인해 실명한 환자를 위해 인공시각장치가 개발되고 있다. 인공시각장치의 동작원리는 전기자극을 주어 신경세포의 활동도를 조절하는 것이므로 시각정보를 제대로 인코딩하기 위해 최적의 전기자극을 인가하는 것은 인공시각장치의 실용화를 위해 매우 중요한 요소이다. 그러므로 본 연구에서는 전압자극의 크기와 자극시간을 변화시켜 가면서 정상망막과 변성망막에 인가한 후 자극에 의해 유발된 망막신경절세포 반응을 분석하고 역치전하밀도를 비교함으로써 최적의 전기자극 조건을 찾아보고자 하였다. 이를 위하여 정상마우스와 rd1 마우스의 망막을 in vitro 상태로 분리한 후 망막의 신경절세포층이 전극을 향하여 부착되도록 한 후 망막신호를 기록하였다. rd1 마우스에서 얻은 변성망막의 망막신경절세포에서도 전압펄스를 인가시 정상망막의 망막신경절세포처럼 전압자극의 크기와 자극시간 변조에 대하여 반응하였다. 그러나 정상망막과 변성망막에서 망막신경절세포 반응의 시간적 패턴은 매우 달랐다: 정상망막의 망막신경절세포 반응은 전기자극 후 약 100 ms 내에서 1개의 피크만 나타나는 반면, 변성망막에서는 이보다 긴 400 ms 구간에서 약 10 Hz의 진동리듬을 가진 다수의 피크(~4개)들이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 변성망막에서 망막신경절세포의 반응을 유발하기 위한 역치 전하밀도가 정상망막에서 보다 크게 상승하였다: 자극세기를 변화시켰을 때 정상망막의 역치 전하밀도는 $37.23{\sim}61.65\;{\mu}C/cm^2$, rd1 마우스에서는 $70.50{\sim}99.87\;{\mu}C/cm^2$로 2배가량 높은 것을 확인하였다. 자극시간을 변화시켰을 때 정상망막의 역치 전하밀도는 $22.69{\sim}37.57\;{\mu}C/cm^2$, rd1 마우스에서는 $120.5{\sim}170.6\;{\mu}C/cm^2$로 5배가량 높은 것을 확인하였다.