Retinal prosthesis is regarded as the most feasible method for the blind caused by retinal diseases such as retinitis pigmentosa or age-related macular degeneration. One of the prerequisites for the success of retinal prosthesis is the optimization of the electrical stimuli applied through the prosthesis. Since electrical characteristics of degenerate retina are expected to differ from those of normal retina, we investigated differences of the retinal waveforms in normal and degenerate retina to provide a guideline for the optimization of electrical stimulation for the upcoming prosthesis. After isolation of retina, retinal patch was attached with the ganglion cell side facing the surface of microelectrode arrays (MEA). $8{\times}8$ grid layout MEA (electrode diameter: $30{\mu}m$, electrode spacing: $200{\mu}m$, and impedance: 50 $k{\Omega}$ at 1 kHz) was used to record in-vitro retinal ganglion cell activity. In normal mice (C57BL/6J strain) of postnatal day 28, only short duration (<2 ms) retinal spikes were recorded. In rd/rd mice (C3H/HeJ strain), besides normal spikes, waveform with longer duration (~100 ms), the slow wave component was recorded. We attempted to understand the mechanism of this slow wave component in degenerate retina using various synaptic blockers. We suggest that stronger glutamatergic input from bipolar cell to the ganglion cell in rd/rd mouse than normal mouse contributes the most to this slow wave component. Out of many degenerative changes, we favor elimination of the inhibitory horizontal input to bipolar cells as a main contributor for a relatively stronger input from bipolar cell to ganglion cell in rd/rd mouse.
In this paper, a current stimulator circuit with adaptive supply regulator for retinal prosthesis is proposed. In current stimulation systems, the stimulating circuits with wide voltage swing range are needed due to the high impedance of the retina cell and microelectrodes. Thus, previous researches adopt the high voltage architecture to obtain the enough operating range. The high voltage architecture, however, could increase the power consumption and can damage the retina cells. The proposed circuit provides the adaptively regulated supply voltage by measuring the difference between desired stimulation current and the actual stimulation current. The proposed circuit can achieve the extended range of the allowable cell impedance, improved accuracy of the stimulation current, and higher biosafety.
Kim Eui tae;Oh Seung jae;Baac Hyoung won;Kim Sung june
Journal of Biomedical Engineering Research
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v.25
no.6
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pp.611-615
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2004
A neural prostheses can be designed to permit stimulation of specific sites in the nervous system to restore their functions, lost due to disease or trauma. This study focuses on the feasibility of optoelecronic stimulation into nervous system. Optoelectronic stimulation supplies, power and signal into the implanted optical detector inside the body by optics. It can be effective strategy especially on the retinal prosthesis, because it enables the non-invasive connection between the external source and internal detector through natural optical window 'eye'. Therefore, we designed an effective neural stimulating setup by optically based stimulation. Stimulating on the sciatic nerve of a rat with proper depth probe through optical stimulation needs higher ratio of current spreading through the neural surface, because of high impedance of neural interface. To increase the insertion current spreading into the neuron, we used a parallel low resistance compared to load resistance organic interface and calculated the optimized outer parallel resistance for maximum insertion current with the assumption of limited current by photodiode. Optimized outer parallel resistance was at a range of 500Ω-700Ω and a current was at a level between 580uA and 650uA. Stimulating current efficiency from initial photodiode induced current was between 47.5 and 59.7%. Various amplitude and frequency of the optical stimulation on the sciatic nerve showed the reliable visual tremble, and the action potential was also recorded near the stimulating area. These result demonstrate that optoelectronic stimulation with no bias can be applied to the retinal prosthesis and other neuroprosthetic area.
Ye, Jang-Hee;Ryu, Sang-Baek;Kim, Kyung-Hwan;Goo, Yong-Sook
Progress in Medical Physics
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v.21
no.2
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pp.209-217
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2010
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.
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.
The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers C
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v.51
no.5
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pp.222-227
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2002
Recently, the research on artificial retina for the blind is active. In this paper a new optical link method for the retinal prosthesis is proposed. Laser diode system was chosen to transfer image into the eye in this project and the new optical system was designed and evaluated. The use of laser diode array in artificial retina system makes system simple for lack of signal processing part inside of the eyeball. Designed optical system is enough to focus laser diode array on photodiode array in 20$\times$20 application.
For the development of feasible retinal prosthesis, one of the important elements is acquiring proper judging tool if electrical stimulus leads to patient's visual perception. If evoked potential to electrical stimulus is recorded in primary visual (V1) cortex, it means that the stimulus effectively evokes visual perception. Therefore, in this study, we established VEP recording system on V1 cortex using BioPAC modules as the judging tool. And the measuring system was evaluated by recording VEP of mice. After anesthesia, normal mice (C57BL/6J strain; n = 6) were secured to stereotaxic apparatus (Harvard Apparatus, USA). For the recording of VEP, the stainless steel needle electrode (impedance: $2-5k{\Omega}$) was positioned on the surface of the cortex through the burr hole at 2.5 mm lateral and 4.6 mm caudal to bregma. DA 100C and EEG 100C BioPAC modules were used for the trigger signal and VEP recording, respectively. When left eye was blocked by black cover and right eye was stimulated by flash light using HMsERG (RetVet Corp, USA), VEP response at left V1 cortex was detected, but there was no response at right V1 cortex. Amplitudes and latencies of P2, N3 peaks of VEP recording varied according to the depths of the electrodes on V1 cortex. From the surface upto $600{\mu}m$ depth, amplitudes of P2 and N3 increased, while deeper than $600{\mu}m$, those amplitudes decreased. The deeper the insertion depth of the electrode, the latency of N1 peaks tends to be delayed. However, there was no statistically significant difference among the latencies of P2 and N3 peaks (P > 0.05, ANOVA). Our VEP recording data such as the insertion depth and the latency and amplitudes of peaks might be used as guidelines for electrically-evoked potential (EEP) recording experiment in near future.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.11
no.11
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pp.2143-2149
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2007
Visual Cortex Stimulator is among artificial retina prosthesis for blind man, is the method that stimulate the brain cell directly without processing the information from retina to visual cortex. In this paper, we propose image construction and recognition model that is similar to human visual processing by recognizing the feature data with orientation information, that is, the characteristics of visual cortex. Back propagation algorithm based on Delta-bar delta is used to recognize after extracting image feature by Kirsh edge detector. Various numerical patterns are used to analyze the performance of proposed method. In experiment, the proposed recognition model to extract image characteristics with the orientation of information from retinal cells to visual cortex makes a little difference in a recognition rate but shows that it is not sensitive in a variety of learning rates similar to human vision system.
As part of Korean retinal prosthesis project, we have provided preliminary experimental results regarding voltage parameters for the stimulation of chemically degenerated rabbit retina. Since our APB-treated chemically degenerated retina is only ON-pathway blocked, now we switch our experiments to more appropriate retinal degeneration model, genetically degenerated retina model (RD mouse: rd/rd (C3H/HeJ)). Before studying with RD mouse, we started control experiments with normal SD rat to understand characteristics of retinal ganglion ceil activity with postnatal maturation in rodents. Ganglion cell activities were recorded with 8${\times}$8 multi-electrode array. Moving spontaneous bursts appeared until postnatal day of 15. During pre-eye opening period, no light evoked response appeared. After postnatal day of 2 weeks (post-eye opening period), ON-, OFF- and ON/OFF response appeared. The fractional distributions of ON, OFF, and ON/OFF ganglion cell is about $40\%,\;50\%$, and $5\%$. The percentage ($\%$) of light evoked response in each dorso-temporal, ventral, and dorso-nasal area of eye is about $50\%,\;37.5\%$ and $12.5\%$, respectively. We concluded that the optimal period for experiment in rodent is about postnatal day of 2${\~}$3 weeks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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