LF-EMF诱发膜电位变化对离子通道电活动影响机制的研究

发布时间：2020-09-15 14:06

　　随着科技的进步,电磁场尤其是低频电磁场(LF_EMF)对人体的影响越来越受到大家的关注。低频电磁场常被应用于临床医学,治疗神经性疾病。并且磁场已经被证明可以对离子通道起到调控的作用。神经元内信息之间的传递主要通过神经纤维不同模式的放电来反映,所以膜电位是细胞电生理活动的重要指标。在过去的研究中普遍认为磁场诱发的感应电场所引起的细胞跨膜电位变化是调控离子通道电活动的主要因素,但这个因素是否也是LF_EMF影响细胞电活动的主要因素却缺乏足够的验证。本文采用理论和实验二者结合的方式来完成课题的研究工作。由于感应电场被认为是低频电磁场引起膜电位变化的原因,所以本文从电场诱发膜电位入手。在过去的电场引发跨膜电位变化的文章中,一般只考虑孤立神经元的情况,但是事实上细胞紧密排布,细胞间存在相互作用,本文首先分析了电场作用下的双细胞间的膜电位变化,并分析了细胞间不同位置以及细胞半径、电导率对跨膜电位变化的影响,发现104V/m的电场可以诱发102mV量级的膜电位变化。然后采用在线磁刺激装置对离体脑片海马CA1锥体细胞进行了30min内的磁刺激,采用膜片钳技术记录了细胞Na+,K+通道电流,通过实验发现在低频低强度磁场的作用下,离子通道最大电流密度、最大通道电导以及膜电位会发生变化,通过数据分析发现mT量级的低频磁场可以引起mV级别的细胞跨膜电位变化。为了进一步验证LF_EMF诱发跨膜电位变化的机制,本文采用COMSOL软件仿真了在实验磁场参数作用下,海马脑片CA1区的磁场和感应电场变化,发现实验剂量的磁场所能产生的最大感应电场仅为10-3V/m的量级,产生的膜电位变化仅为10-5mV,通过仿真分析可知,该量级膜电位不足引起兴奋细胞离子通道的电活动。所以本文推测低频低强度磁场可能改变了Na+,K+通道的转换概率,进而影响了细胞跨膜电位和离子通道电活动。通过双态通道模型和H-H模型,结合仿真和理论,证明了LF_EMF的确可以改变离子通道转换概率,从而影响通道电导,使细胞膜电位产生变化,同时膜电位又能反作用离子门控变量,调控离子通道转换概率,验证了我们的猜想。在此基础上,分析了加入电流和改变膜外电导率时细胞膜电位的变化。本文的研究工作对于进一步解释LF_EMF对细胞跨膜电位的作用机制具有重要指导意义。
【学位单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q27;O441.4
【部分图文】：

流程图,课题研究,流程图,论文

图１－１课题研究流程图￣逡逑如下所示为本论文各章节的分布及内容：逡逑第一章阐述了研宄背景和研宄意义，对课题相关方向的研宄情况做了综述。逡逑介绍了低频低强度电磁场对跨膜电位理论研究以及离子通道的研究现状以及不逡逑足，阐述了海马ＣＡ１区和离子通道的重要性，介绍了整篇论文的内容安排。逡逑

跨膜电位,细胞

■１邋－１逡逑图２－２单个孤立神经元的跨膜电位结果逡逑灰度值代表在该点诱导的跨膜电位的强度。从图２－２中可以清楚地看出，当逡逑系统中电场只作用于单个细胞时，细胞上下半部的跨膜电位强度是围绕细胞赤道逡逑对称的。逡逑我们可以将细胞２的中心放在球坐标系的（２７？＋ｒ，邋９０。，邋０。），也就是（Ｘ，Ｙ，Ｚ）坐逡逑标系中的点（２７？＋ｒ，邋０，邋０），也可以理解为细胞２放置在细胞１的水平方向「或者可逡逑以将细胞２中心设置在球坐标系的（２／？＋ｒ，０°，邋０°）点，即柱坐标系的（０，邋０，邋２７？＋ｒ）点，逡逑此时Ｃｅｌｌ２位于Ｃｅｌｈ的垂直方向。事实上我们可以将Ｃｅ〖ｌ２放置在相对Ｃｅｌｌ，的任逡逑意位置，本文计算了将Ｃｅｌｈ放置多个方向的结果但是并没有展现在文章中，一逡逑方面我们发现水平和垂直两个方向有不同的影响，一个方向对跨膜电位有增强的逡逑效果

变化图,跨膜电位,左右半球,细胞系

逦－ｉ逡逑图２－３双细胞系统模型跨膜电位变化图逡逑图２－３（ａ、ｂ）表示Ｃｅｌｂ放置在水平方向时Ｃｅｌｈ左右半球的跨膜电位的变化。逡逑图２－３（ｃ、ｄ）表示当Ｃｅｌｌ２在Ｃｅｌｌ，垂直方向上时，Ｃｅｌｌ，上半球和下半球的跨膜电逡逑位变化。从图２－３可以发现，当加入Ｃｅｌｌ２时，Ｃｅｌｈ对Ｃｅｌｈ膜电位变化的作用是逡逑不对称的，因此Ｃｅｌｌ，的跨膜电位变化模式不再类似于单个孤立神经元系统，不逡逑再关于细胞赤道对称，因此可以认为Ｃｅｌｌ２对被测细胞各个位置的跨膜电位影响逡逑不一致，为了进一步研究Ｃｅｌｈ对Ｃｅｌｈ上各个位置的影响，我们选择了邋Ｃｅｌｌ，上逡逑五个点做更详细的分析，选取计算点的位置如图２－４所示。逡逑（．＾＾３邋ｒＭＸ逡逑图２－４细胞１上五个测量点的位置逡逑１３逡逑

【相似文献】