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.
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.
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.
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.
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.
Retinal prostheses have shown some clinical success in restoring vision in patients with retinitis pigmentosa. However, the post-implantation visual acuity does not exceed that of legal blindness. The reason for the poor visual acuity might be that (1) degenerate retinal ganglion cells (RGCs) are less responsive to electrical stimulation than normal RGCs, and (2) electrically-evoked RGC spikes show a more widespread not focal response. The single-biphasic pulse electrical stimulation, commonly used in artificial vision, has limitations in addressing these issues. In this study, we propose the benefit of multiple consecutive-biphasic pulse stimulation. We used C57BL/6J mice and C3H/HeJ (rd1) mice for the normal retina and retinal degeneration model. An 8 × 8 multi-electrode array was used to record electrically-evoked RGC spikes. We compared RGC responses when increasing the amplitude of a single biphasic pulse versus increasing the number of consecutive biphasic pulses at the same stimulus charge. Increasing the amplitude of a single biphasic pulse induced more RGC spike firing while the spatial resolution of RGC populations decreased. For multiple consecutive-biphasic pulse stimulation, RGC firing increased as the number of pulses increased, and the spatial resolution of RGC populations was well preserved even up to 5 pulses. Multiple consecutive-biphasic pulse stimulation using two or three pulses in degenerate retinas induced as much RGC spike firing as in normal retinas. These findings suggest that the newly proposed multiple consecutive-biphasic pulse stimulation can improve the visual acuity in prosthesis-implanted patients.
Since the output of retina for visual stimulus is carried by neurons of very diverse functional properties, it is not adequate to use conventional single electrode for recording the retinal action potential. For this purpose, we used newly developed multichannel recording system for monitoring the simultaneous electrical activities of many neurons in a functioning piece of retina. Retinal action potentials are recorded with an extra-cellular planar array of 60 microelectrodes. In studying the collective activity of the ganglion cell population it is essential to recognize basic functional distinctions between individual neurons. Therefore, it is necessary to detect and to classify the action potential of each ganglion cell out of mixed signal. We programmed M-files with MATLAB for this sorting process. This processing is mandatory for further analysis, e.g. poststimulus time histogram (PSTH), auto-correlogram, and cross-correlogram. We established MATLAB based protocol for waveform classification and verified that this approach was effective as an initial spike sorting method.
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.
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 Principal component analysis (PCA) is a well-known data analysis method that is useful in linear feature extraction and data compression. The PCA is a linear transformation that applies an orthogonal rotation to the original data, so as to maximize the retained variance. PCA is a classical technique for obtaining an optimal overall mapping of linearly dependent patterns of correlation between variables (e.g. neurons). PCA provides, in the mean-squared error sense, an optimal linear mapping of the signals which are spread across a group of variables. These signals are concentrated into the first few components, while the noise, i.e. variance which is uncorrelated across variables, is sequestered in the remaining components. PCA has been used extensively to resolve temporal patterns in neurophysiological recordings. Because the retinal signal is stochastic process, PCA can be used to identify the retinal spikes. With excised rabbit eye, retina was isolated. A piece of retina was attached with the ganglion cell side to the surface of the microelectrode array (MEA). The MEA consisted of glass plate with 60 substrate integrated and insulated golden connection lanes terminating in an 8${\times}$8 array (spacing 200 $\mu$m, electrode diameter 30 $\mu$m) in the center of the plate. The MEA 60 system was used for the recording of retinal ganglion cell activity. The action potentials of each channel were sorted by offline analysis tool. Spikes were detected with a threshold criterion and sorted according to their principal component composition. The first (PC1) and second principal component values (PC2) were calculated using all the waveforms of the each channel and all n time points in the waveform, where several clusters could be separated clearly in two dimension. We verified that PCA-based waveform detection was effective as an initial approach for spike sorting method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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