A retinal ganglion cell's receptive field is defined as that region on the retinal surface In which a light stimulus will produce a response. A retinal ganglion cell peers out at a small patch of the visual scene through its receptive field and encodes local features with action potentials that pass through the optic nerve to higher centers. Therefore, defining the receptive field of a retinal ganglion cell is essential to understand the electrical characteristics of a ganglion cell. Distribution of receptive fields over retinal surface provides us an Insight how the retinal ganglion cell processes the visual scene. In this paper, we provide the details how to reconstruct the receptive field of a retinal ganglion cell. We recorded the ganglion cell's action potential with multielectrode array when the random checkerboard stimulus was applied. After classifying the retinal waveform Into ON-cell, OFF-cell, ON/OFF-cell, we reconstructed the receptive field of retinal ganglion cell with Matlab. Here, we show the receptive fields of ON-cell and OFF-cell.
Ye, Jang-Hee;Ryu, Sang-Baek;Kim, Kyung-Hwan;Goo, Yong-Sook
The Korean Journal of Physiology and Pharmacology
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v.12
no.6
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pp.307-314
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2008
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). Among the many issues for prosthesis development, stimulation encoding strategy is one of the most essential electrophysiological issues. The more we understand the retinal circuitry how it encodes and processes visual information, the greater it could help decide stimulation encoding strategy for retinal prosthesis. Therefore, we examined how retinal ganglion cells (RGCs) in in-vitro retinal preparation act together to encode a visual scene with multielectrode array (MEA). Simultaneous recording of many RGCs with MEA showed that nearby neurons often fired synchronously, with spike delays mostly within 1 ms range. This synchronized firing - narrow correlation - was blocked by gap junction blocker, heptanol, but not by glutamatergic synapse blocker, kynurenic acid. By tracking down all the RGC pairs which showed narrow correlation, we could harvest 40 functional connectivity maps of RGCs which showed the cell cluster firing together. We suggest that finding functional connectivity map would be useful in stimulation encoding strategy for the retinal prosthesis since stimulating the cluster of RGCs would be more efficient than separately stimulating each individual RGC.
Retinal ganglion cells transmit visual scene as an action potential to visual cortex through optic nerve. Conventional recording method using single intra- or extra-cellular electrode enables us to understand the response of specific neuron on specific time. Therefore, it is not possible to determine how the nerve impulses in the population of retinal ganglion cells collectively encode the visual stimulus with conventional recording. This requires recording the simultaneous electrical signals of many neurons. Recent advances in multi-electrode recording have brought us closer to understanding how visual information is encoded by population of retinal ganglion cells. We examined how ganglion cells act together to encode a visual scene with multi-electrode array (MEA). With light stimulation (on duration: 2 sec, off duration: 5 sec) generated on a color monitor driven by custom-made software, we isolated three functional types of ganglion cell activities; ON (35.0$\pm$4.4%), OFF (31.4$\pm$1.9%), and ON/OFF cells (34.6$\pm$5.3%) (Total number of retinal pieces = 8). We observed that nearby neurons often fire action potential near synchrony (< 1 ms). And this narrow correlation is seen among cells within a cluster which is made of 6~8 cells. As there are many more synchronized firing patterns than ganglion cells, such a distributed code might allow the retina to compress a large number of distinct visual messages into a small number of ganglion cells.
For successful restoration of visual function by a visual neural prosthesis such as retinal implant, electrical stimulation should evoke neural responses so that the informat.ion on visual input is properly represented. A stimulation strategy, which means a method for generating stimulation waveforms based on visual input, should be developed for this purpose. We proposed to use the decoding of visual input from retinal ganglion cell (RGC) responses for the evaluation of stimulus encoding strategy. This is based on the assumption that reliable encoding of visual information in RGC responses is required to enable successful visual perception. The main purpose of this study was to determine the influence of inter-dependence among stimulated RGCs activities on decoding accuracy. Light intensity variations were decoded from multiunit RGC spike trains using an optimal linear filter. More accurate decoding was possible when different types of RGCs were used together as input. Decoding accuracy was enhanced with independently firing RGCs compared to synchronously firing RGCs. This implies that stimulation of independently-firing RGCs and RGCs of different types may be beneficial for visual function restoration by retinal prosthesis.
Parvalbumin occurs in various types of cells in the retina. We previously reported parvalbumin distribution in the inner nuclear layer of bat retina. In the present study, we identified the parvalbumin-immunoreactive neurons in the ganglion cell layer of the retina of a bat, Rhinolophus ferrumequinum, and investigated the distribution pattern of the labeled neurons. Parvalbumin immunoreactivity was found in numerous cell bodies in the ganglion cell layer. Quantitative analysis showed that these cells had medium to large-sized somas. The soma diameter of the parvalbumin-immunoreactive cells in the ganglion cell layer ranged from 12.35 to 19.12 ${\mu}m$ (n=166). As the fibers in the nerve fiber layer were also stained, the majority of parvalbumin-immunoreactive cells in the ganglion cell layer should be medium to large-sized retinal ganglion cells. The mean nearest neighbor distance of the parvalbumin-immunoreactive cells in the ganglion cell layer of the bat retina ranged from 59.57 to 62.45 ${\mu}m$ and the average regularity index was 2.95 ${\pm}$ 0.3 (n=4). The present results demonstrate that parvalbu-min is expressed in medium to large-sized retinal ganglion cells in bat retina, and they have a well-or-ganized distributional pattern with regular mosaics. These results should be important as they are applicable to a better understanding of the unsolved issue of a bat vision. This data will help to provide fundamental knowledge for the better understanding of the unique behavioral aspects of bat flight maneuverability.
A retinal prosthesis is being developed for the restoration of vision in patients with retinitis pigmentosa (RP) and age-related macular degeneration (AMD). Determining optimal electrical stimulation parameters for the prosthesis is one of the most important elements for the development of a viable retinal prosthesis. Here, we investigated the effects of different charge-balanced biphasic pulses with regard to their effectiveness in evoking retinal ganglion cell (RGC) responses. Retinal degeneration (rd1) mice were used (n=17). From the ex-vivo retinal preparation, retinal patches were placed ganglion cell layer down onto an $8{\times}8$ multielectrode array (MEA) and RGC responses were recorded while applying electrical stimuli. For asymmetric pulses, 1st phase of the pulse is the same with symmetric pulse but the amplitude of 2nd phase of the pulse is less than $10{\mu}A$ and charge balanced condition is satisfied by lengthening the duration of the pulse. For intensities (or duration) modulation, duration (or amplitude) of the pulse was fixed to $500{\mu}s$($30{\mu}A$), changing the intensities (or duration) from 2 to $60{\mu}A$(60 to $1000{\mu}s$). RGCs were classified as response-positive when PSTH showed multiple (3~4) peaks within 400 ms post stimulus and the number of spikes was at least 30% more than that for the immediate pre-stimulus 400 ms period. RGC responses were well modulated both with anodic and cathodic phase-1st biphasic pulses. Cathodic phase-1st pulses produced significantly better modulation of RGC activity than anodic phase-1st pulses regardless of symmetry of the pulse.
Proteomic analyses of differentially expressed proteins in rat retinal ganglion cells (RGC-5) following S-nitrosoglutathione (GSNO), an NO donor, treatment were conducted. Of the approximately 314 protein spots that were detected, 19 were differentially expressed in response to treatment with GSNO. Of these, 14 proteins were up-regulated and 5 were down- regulated. Notably, an increase in GAPDH expression following GSNO treatment was detected in RGC-5 cells through Western blotting as well as proteomics. The increased GAPDH expression in response to GSNO treatment was accompanied by an increase in Herc6 protein, an E3 ubiquitin ligase. Moreover, GSNO treatment resulted in the translocation of GADPH from the cytosol to the nucleus and its subsequent accumulation. These results suggest that NO stress-induced apoptosis may be associated with the nuclear translocation and accumulation of GAPDH in RGC-5 cells.
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.
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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