For the reliable transmission of meaningful visual information using prosthetic electrical stimulation, it is required to develop an effective stimulation strategy for the generation of electrical pulse trains based on input visual information. The characteristics of neuronal activities of retinal ganglion cells (RGCs) evoked by electrical stimulation should be understood for this purpose. In this study, for the development of an optimal stimulation strategy for visual prosthesis, we analyzed the neuronal responses of RGCs in rd1 mouse, photoreceptor-degenerated retina of animal model of retinal diseases (retinitis pigmentosa). Based on the in-vitro model of epiretinal prosthesis which consists of planar multielectrode array (MEA) and retinal patch, we recorded and analyzed multiunit RGC activities evoked by amplitude-modulated electrical pulse trains. Two modes of responses were observed. Short-latency responses occurring at 3 ms after the stimulation were estimated to be from direct stimulation of RGCs. Long-latency responses were also observed mainly at 2 - 100 ms after stimulation and showed rhythmic firing with same frequency as the oscillatory background field potential. The long-latency responses could be modulated by pulse amplitude and duration. From the results, we expect that optimal stimulation conditions such as pulse amplitude and pulse duration can be determined for the successful transmission of visual information by electrical stimulation.
Ye-ying Jiang ;Rong-yun Wei;Kai Tang;Zhen Wang;Ning-hua Tan
Journal of Ginseng Research
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제48권2호
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pp.163-170
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2024
Background: Mechanisms of synaptic plasticity in retinal ganglion cells (RGCs) are complex and the current knowledge cannot explain. Growth and regeneration of dendrites together with synaptic formation are the most important parameters for evaluating the cellular protective effects of various molecules. The effect of ginsenoside Rg1 (Rg1) on the growth of retinal ganglion cell processes has been poorly understood. Therefore, we investigated the effect of ginsenoside Rg1 on the neurite growth of RGCs. Methods: Expression of proteins and mRNA were detected by Western blot and qPCR. cAMP levels were determined by ELISA. In vivo effects of Rg1 on RGCs were evaluated by hematoxylin and eosin, and immunohistochemistry staining. Results: This study found that Rg1 promoted the growth and synaptic plasticity of RGCs neurite by activating the cAMP/PKA/CREB pathways. Meanwhile, Rg1 upregulated the expression of GAP43, Rac1 and PAX6, which are closely related to the growth of neurons. Meantime, H89, an antagonist of PKA, could block this effect of Rg1. In addition, we preliminarily explored the effect of Rg1 on enhancing the glycolysis of RGCs, which could be one of the mechanisms for its neuroprotective effects. Conclusion: Rg1 promoted neurite growth of RGCs through cAMP/PKA/CREB pathways. This study may lay a foundation for its clinical use of optic nerve diseases in the future.
Electrical stimulation through retinal prosthesis elicits both short and long-latency retinal ganglion cell (RGC) spikes. Because the short-latency RGC spike is usually obscured by electrical stimulus artifact, it is very important to isolate spike from stimulus artifact. Previously, we showed that topographic prominence (TP) discriminator based algorithm is valid and useful for artifact subtraction. In this study, we compared the performance of forward backward (FB) filter only vs. TP-adopted FB filter for artifact subtraction. From the extracted retinae of rd1 mice, we recorded RGC spikes with $8{\times}8$ multielectrode array (MEA). The recorded signals were classified into four groups by distances between the stimulation and recording electrodes on MEA (200-400, 400-600, 600-800, $800-1000{\mu}m$). Fifty cathodic phase-$1^{st}$ biphasic current pulses (duration $500{\mu}s$, intensity 5, 10, 20, 30, 40, 50, $60{\mu}A$) were applied at every 1 sec. We compared false positive error and false negative error in FB filter and TP-adopted FB filter. By implementing TP-adopted FB filter, short-latency spike can be detected better regarding sensitivity and specificity for detecting spikes regardless of the strength of stimulus and the distance between stimulus and recording electrodes.
Previously, we reported that besides retinal ganglion cell (RGC) spike, there is ~10 Hz oscillatory rhythmic activity in local field potential (LFP) in retinal degeneration model, rd1 mice. The more recently identified rd10 mice have a later onset and slower rate of photoreceptor degeneration than the rd1 mice, providing more therapeutic potential. In this study, before adapting rd10 mice as a new animal model for our electrical stimulation study, we investigated electrical characteristics of rd10 mice. From the raw waveform of recording using $8{\times}8$ microelectrode array (MEA) from in vitro-whole mount retina, RGC spikes and LFP were isolated by using different filter setting. Fourier transform was performed for detection of frequency of bursting RGC spikes and oscillatory field potential (OFP). In rd1 mice, ~10 Hz rhythmic burst of spontaneous RGC spikes is always phase-locked with the OFP and this phase-locking property is preserved regardless of postnatal ages. However, in rd10 mice, there is a strong phase-locking tendency between the spectral peak of bursting RGC spikes (~5 Hz) and the first peak of OFP (~5 Hz) across different age groups. But this phase-locking property is not robust as in rd1 retina, but maintains for a few seconds. Since rd1 and rd10 retina show phase-locking property at different frequency (~10 Hz vs. ~5 Hz), we expect different response patterns to electrical stimulus between rd1 and rd10 retina. Therefore, to extract optimal stimulation parameters in rd10 retina, first we might define selection criteria for responding rd10 ganglion cells to electrical stimulus.
For successful visual perception by visual prosthesis using electrical stimulation, it is essential to develop an effective stimulation strategy based on understanding of retinal ganglion cell (RGC) responses to electrical stimulation. We studied RGC responses to repetitive electrical stimulation pulses to develop a stimulation strategy using stimulation pulse frequency modulation. Retinal patches of photoreceptor-degenerated retinas from rd1 mice were attached to a planar multi-electrode array (MEA) and RGC spike trains responding to electrical stimulation pulse trains with various pulse frequencies were observed. RGC responses were strongly dependent on inter-pulse interval when it was varied from 500 to 10 ms. Although the evoked spikes were suppressed with increasing pulse rate, the number of evoked spikes were >60% of the maximal responses when the inter-pulse intervals exceeded 100 ms. Based on this, we investigated the modulation of evoked RGC firing rates while increasing the pulse frequency from 1 to 10 pulses per second (or Hz) to deduce the optimal pulse frequency range for modulation of RGC response strength. RGC response strength monotonically and linearly increased within the stimulation frequency of 1~9 Hz. The results suggest that the evoked neural activities of RGCs in degenerated retina can be reliably controlled by pulse frequency modulation, and may be used as a stimulation strategy for visual neural prosthesis.
The number and distribution of the retinal ganglion cells in the 2 years old Korean native cattle was determined from whole fiat mounted preparation stained with methylene blue and thionin. The results were summarized as follows. 1. The total number of retinal ganglion cells was estimated to be 3,085,200 in the bovine retina ranging from $2,214mm^2$ in total area. 2. Visual streak was recognized at the area 2.5mm superior to the optic disc and ganglion cell density drops off rapidly to the directions superior to and inferior to the visual streak. 3. Area centralis ($6,800cells/mm^2$) was located at the area 10mm temporally from the point of 3mm superior to the optic disc. 4. The number of ${\alpha}-type$ ganglion cells (above $15{\mu}$) was 57,000 in the bovine retina and ${\alpha}-type$ ganglion cells constituted 18.5% of the total cells. 5. The relative frequency of ${\alpha}-type$ ganglion cells was higher in the peripheral regions than in the visual streak, especially higher in the superior-temporal quadrant than in other region of the bovine retina.
Journal of information and communication convergence engineering
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제2권2호
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pp.132-137
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2004
Most of the current computer vision theories are based on hypotheses that are difficult to apply to the real world, and they simply imitate a coarse form of the human visual system. As a result, they have not been showing satisfying results. In the human visual system, there is a mechanism that processes information due to memory degradation with time and limited storage space. Starting from research on the human visual system, this study analyzes a mechanism that processes input information when information is transferred from the retina to ganglion cells. In this study, a model for the characteristics of ganglion cells in the retina is proposed after considering the structure of the retina and the efficiency of storage space. The MNIST database of handwritten letters is used as data for this research, and ART2 and SOM as recognizers. The results of this study show that the proposed recognition model is not much different from the general recognition model in terms of recognition rate, but the efficiency of storage space can be improved by constructing a mechanism that processes input information.
As a preliminary study for the development of electrical stimulation strategy of artificial retina, we set up a method fur the reconstruction of input intensity variation from retinal ganglion cell(RGC) responses. In order to estimate light intensity variation, we used an optimal linear filter trained from given stimulus intensity variation and multiple single unit spike trains from RGCs. By applying ON/OFF stimulation(ON duration: 2 sec, OFF duration: 5 sec) repetitively, we identified three functional types of ganglion cells according to when they respond to the ON/OFF stimulus actively: ON cell, OFF cell, and ON-OFF cell. Experiments were also performed using a Gaussian random stimulus and a binary random stimulus. The input intensity was updated once every 90 msec(i. e. 11 Hz) to present the stimulus. The result of reconstructing 11 Hz Gaussian and binary random stimulus was not satisfactory and showed low correlation between the original and reconstructed stimulus. In the case of ON/OFF stimulus in which temporal variation is slow, successful reconstruction was achieved and the correlation coefficient was as high as 0.8.
망막색소변성(retinitis pigmentosa: RP)과 연령관련 황반변성(age-related macular Degeneration: AMD)은 망막변성으로 인해 실명에 이르는 대표적인 질환이며 망막이식장치의 개발을 통해 치료될 수 있다고 간주되고 있다. 성공적인 망막이식장치 개발을 위하여 여러 가지 선결요소가 필요하지만 그 중 한 가지가 이식장치에 인가할 전기자극을 최적화하는 것이다. 변성망막의 전기적 특성은 정상 망막과 다르리라 예측되므로 우리는 장차 개발될 망막 이식장치에 인가할 전기자극 최적화를 위한 가이드라인을 제공하기 위해 정상 망막과 변성망막의 망막파형 차이에 관한 연구를 하였다. 망막을 분리한 후 망막절편을 신경절세포 층이 다채널전극의 표면을 향하게 하여 전극에 붙인다. In-vitro 상태에서 망막 신경절세포의 전기신호를 기록하기 위해 전극 직경: $30{\mu}m$, 전극간 거리: $200{\mu}m$, 전극 임피던스 1 kHz에서 50 $k{\Omega}$인 8행 8열의 다채널전극을 사용하였다. 생후 28일된 정상마우스(C57BL/6J 종)에서는 짧은 시간대(<2 ms)의 망막 스파이크만 기록되었다. rd/rd 마우스(C3H/HeJ 종)에서는 정상적인 스파이크뿐만 아니라 약 100 ms 의 시간대를 가지는 느린 파형이 같이 기록되었다. 우리는 rd/rd 마우스에서만 관찰되는 이 느린 파형의 기전을 알아보고자 여러 가지 시냅스억제제를 사용하였다. 이 느린 파형은 rd/rd 마우스에서 양극세포로부터 신경절세포로 들어오는 흥분성입력이 정상마우스보다 강화되었기 때문에 발생한 것으로 보인다. rd/rd 마우스에서 흥분성입력이 강화되는 여러 가능성 중에서 망막변성으로 인해 수평세포로부터 양극세포로 들어오는 억제성 입력이 소실됨으로 인해 결과적으로 양극세포로부터 신경절세포로 들어오는 흥분성입력이 강화되었을 가능성이 가장 높은 것으로 보인다.
Calcium-binding proteins are thought to play important roles in calcium buffering. The present study investigated the effects of ischemia and reperfusion on calbindin D28K, calretinin, and parvalbumin immunoreactivity in the ganglion cell layer of the rabbit. Rabbits were administered ischemic damage by increasing the intraocular pressure. After 60 and 90 min of ischemia, reperfusion (7 d) was allowed to occur. The b-wave of the electroretinogram (ERG) was reduced by more than 50% and almost 80% in retina given ischemia for 60 and 90 min, respectively. The oscillatory potential (OPs) wave was reduced approximately 50% at 60 min ischemia and 70% at 90 min ischemia. In both normal and ischemic-treated retina, calcium-binding protein immunoreactivity was seen in many cells in the ganglion cell layer. In eyes subjected to 60 min ischemia, there was a decrease of the density of calbindin D28K- (8.29%), calretinin- (14.44%), and parvalbumin- (26.83%) immunoreactive (IR) cells compared to the control retina. In eyes subjected to 90 min ischemia, there was a higher decrease of the density of calbindin D28K- (18.48%), calretinin- (33.59%), and parvalbumin- (54.26%) IR cells than at 60 min. Some calcium-binding protein-IR neurons, especially calretinin-IR neurons, showed aggregations that were abnormally packed together in retina subjected to ischemia for 90 min. The results show that calbindin D28K-, calretinin-, and parvalbumin-IR cells in the ganglion cell layer are susceptible to ischemic damage and reperfusion. The degree of reduction varied among different calcium-binding proteins and ischemic damage times. These results suggest that calbindin D28K-containing neurons are less susceptible to ischemic damage than calretinin- and parvalbumin-containing neurons in the ganglion cell layer of rabbit retina.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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