한국콘텐츠학회논문지 (The Journal of the Korea Contents Association)

  • 제18권11호
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  • Pages.655-664
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  • 2018
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  • 1598-4877(pISSN)
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  • 2508-6723(eISSN)
한국콘텐츠학회 (The Korea Contents Association)
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척추동물 망막의 신호 전달 경로 시뮬레이터 개발 및 분석

Simulator Development and Analysis for Signal Flow Pathway in Vertebrate Retina

  • 백승범 (충북대학교 전자정보대학) ;
  • 장영조 (한국기술교육대학 전자공학과) ;
  • 조경록 (충북대학교 전자정보대학)
  • 투고 : 2018.07.03
  • 심사 : 2018.11.16
  • 발행 : 2018.11.28
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초록

망막은 눈을 통해 입력되는 빛을 수용하여, 이를 전기신호로 변환한 후 뇌의 시각 피질에 전달하는 역할을 수행한다. 망막을 하드웨어로 구현하기 위해서는 망막의 구조와 동작에 대한 이해가 필요하며, 이를 위해 망막의 모델링이 유용할 수 있다. 본 논문에서는 척추동물의 망막을 구성하는 신경세포와 시냅스의 신호 전달 경로를 포함하는 2-D 망막 네트워크 모델을 소개한다. 또한 수치해석을 기반으로 다양한 조건에서 망막 모델을 해석하기 위해 시뮬레이터를 개발하였다. 이를 통해 다양한 세기의 빛이 망막에서 흡수되었을 때, 기존의 연구와 대비하여, 각 세포와 시냅스 노드 단위로 입출력 반응을 정밀하게 검증하여 인공망막 장치 개발에 기여하였다.

Retina transforms the external light into electrical signal that stimulates visual cortex of the brain. Electrical modeling of the retina is useful to understand its structure and action that is a prerequisite to implement the retina as a hardware device. This paper introduces a 2-D electrical network model of vertebrate's retina considering signal pathway of retinal cells and synapses. We implemented a simulator of the retina based on the electrical network model to analyze its operation under various circumstances. Compared to the prior studies, It might contribute designing of artificial retina device in terms of that this study specifically observed input and output reactions of each cell and synapse node under various light intensity on the retina.

키워드

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그림 1. 척추동물 망막세포 모델들의 병렬 신호 전달 네트워크

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그림 2. 제안하는 망막 모델 시뮬레이터의 실행화면

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그림 3. 제안하는 망막 모델 시뮬레이터의 시뮬레이션 흐름도

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그림 4. 제안하는 망막 모델 시뮬레이터의 시뮬레이션 예제 코드

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그림 5. 간상세포와 원추세포에서 흡수되는 빛의 세기에 따른 병렬 신호 전달 모델의 시뮬레이션 결과

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그림 6. 제안하는 망막 모델 시뮬레이터를 이용해 간상세포와 원추양극세포의 모델을 다른 모델로 대체하여 수행한 시뮬레이션 결과

참고문헌

  1. L. D. Cruz, B. F. Coley, J. Dorn, F. Merlini, E. Filley, P. Christopher, F. K. Chen, V. Wuyyuru, J. Sahel, P. Stanga, M. Humayun, R. J. Greenberg, and G. Dagnelie, “The Argus II epiretinal prosthesis system allows letter and word reading and long-term function in patients with profound vision loss,” British Journal of Ophthalmology, Vol. 97, No. 5, pp. 632-636, 2013. https://doi.org/10.1136/bjophthalmol-2012-301525
  2. J. M. Ong and L. D. Cruz, “The bionic eye : a review,” Clinical & Experimental Ophthalmology, Vol. 40, No. 1, pp. 6-17, 2012. https://doi.org/10.1111/j.1442-9071.2011.02590.x
  3. T. Guenther, N. H. Lovell, and G. J. Suaning, “Bionic vision : system architectures-a review,” Expert Review of Medical Devices, Vol. 9, No. 1, pp. 33-48, 2012. https://doi.org/10.1586/erd.11.58
  4. K. Cho, S. Baek, S. W. Cho, J. H. Kim, Y. S. Goo, J. K. Eshraghian, N. Iannella, and K. Eshraghian, “Signal Flow Platform for Mapping and Simulation of Vertebrate Retina for Sensory Systems,” IEEE Sensors Journal, Vol. 16, No. 15, pp. 5856-5866, 2016. https://doi.org/10.1109/JSEN.2016.2561310
  5. J. K. Eshraghian, S. Baek, J. H. Kim, N. Iannella, K. Cho, Y. S. Goo, H. H. C. Iu, S. M. Kang, and K. Eshraghian, "Formulation and implementation of nonlinear integral equations to model neural dynamics within the vertebrate retina," International Journal of Neural Systems, Vol. 28, No. 7, p.1850004, 2018. https://doi.org/10.1142/S0129065718500041
  6. H. Benav, Modeling Effects of Extracellular Stimulation on Retinal Bipolar Cells, Ph.D. dissertation, University of Tubingen, Germany, 2012.
  7. H. Choi, Modeling of Oscillations and Bursting in Retinal AII Amacrine Cells, Ph.D. dissertation, Northwestern University, USA, 2014.
  8. P. Sterling, M. A. Freed, and R. G. Smith, “Architecture of Rod and Cone Circuits to the On-beta Ganglion Cell,” The Journal of Neuroscience, Vol. 8, No. 2, pp. 623-642, 1988. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.08-02-00623.1988
  9. A. L. Hodgkin and A. F. Huxley, “A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve,” The Journal of Physiology, Vol. 117, No. 4, pp. 500-544, 1952. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1952.sp004764
  10. Y. Kamiyama, S. M. Wu, and S. Usui, “Simulation analysis of bandpass filtering properties of a rod photoreceptor network,” Vision Research, Vol. 49, No. 9, pp. 970-978, 2009. https://doi.org/10.1016/j.visres.2009.03.003
  11. D. A. Baylor, A. L. Hodgkin, and T. D. Lamb, “Reconstruction of the electrical responses of turtle cones to flashes and steps of light,” The Journal of Physiology, Vol. 242, No. 3, pp. 759-791, 1974. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1974.sp010733
  12. S. Usui, A. Ishihaiza, Y. Kamiyama, and H. Ishii, “Ionic current model of bipolar cells in the lower vertebrate retina,” Vision Research, Vol. 36, No. 24, pp. 4069-4076, 1996. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(96)00179-4
  13. R. G. Smith and N. Vardi, “Simulation of the AII amacrine cell of mammalian retina : Functional consequences of electrical coupling and regenerative membrane properties,” Visual Neuroscience, Vol. 12, No. 5, pp. 851-860, 1995. https://doi.org/10.1017/S095252380000941X
  14. J. F. Fohlmeister and R. F. Miller, “Impulse Encoding Mechanisms of Ganglion Cells in the Tiger Salamander Retina,” Journal of Neurophysiology, Vol. 78, No. 4, pp. 1935-1947, 1997. https://doi.org/10.1152/jn.1997.78.4.1935
  15. R. Publio, R. F. Oliveira, and A. C. Roque, "A Computational Study on the Role of Gap Junctions and Rod Ih Conductance in the Enhancement of the Dynamic Range of the Retina," PLoS One, Vol. 4, No. 9, p.e6970, 2009. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0006970
  16. http://www.math.uwaterloo.ca/-sacampbe/mathbio/coursenotes/Ch2.pdf
  17. https://kst-plot.kde.org/
  18. http://ccns.cbnu.ac.kr/paper/1611/retinamodelsimulator.zip
  19. A. C. Guyton and J. E. Hall, The eye : II. Receptor and neural function of the retina, 11th ed., Netherlands : Elsevier, 2006.
  20. Y. Kamiyama, T. Ogura, and S. Usui, “Ionic Current Model of the Vertebrate Rod Photoreceptor,” Vision Research, Vol. 36, No. 24, pp. 4059-4068, 1996. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(96)00178-2