经颅超声刺激对神经元放电节律和脑血氧代谢作用研究

发布时间：2020-07-09 06:39

【摘要】：经颅磁声刺激(transcranial magneto-acoustical stimulation,TMAS)是一种能够调节神经活动的脑刺激技术,它利用超声和静磁场共同作用在神经组织或组织液中产生的电流来实现对神经元的调节。它具有高空间分辨率和良好穿透深度的优点,但其对神经元的影响目前还不确定。因此,对经颅磁声刺激的研究具有重要的意义。本文分为理论研究和实验研究两部分内容,理论方面主要是在TMAS的基础上研究了不同模型下的放电频率适应性或是放电节律;实验方面主要是研究了经颅超声刺激(transcranial ultrasound stimulation,TUS)下脑血氧代谢的情况。首先是基于Ermentrout神经元模型研究了在TMAS下磁场强度、超声强度、超声频率、占空比以及调制频率对神经元放电频率适应性的影响作用。研究结果有助于揭示TMAS对神经元放电频率适应性的作用机制,为其在神经精神疾病方面的治疗提供理论依据。其次是基于Averaged-Hodgkin-Huxley(AHH)神经元模型研究了在TMAS下幅值频率比与电流密度对神经元膜电势幅值、膜电势峰峰间期以及膜电势发放率等放电节律的调控作用。研究结果表明了TMAS对神经元放电节律的影响作用,有助于TMAS在神经疾病治疗和康复方面的探索应用。最后,研究了TUS下脑血氧代谢情况。其研究的目的是为了评估低强度TUS对脑血氧代谢活动的影响。低强度TUS应用于调节老鼠运动皮层进而导致面部肌肉的收缩以及胡须的抖动,同时内源信号光学成像监测缺氧血红蛋白的变化。实验结果表明TUS导致了缺氧血红蛋白的下降,在刺激2.6秒之后达到峰值随后恢复到基准状态。此外,还发现了组织区域的缺氧血红蛋白的峰值明显低于静脉区域。这些结论表明低强度TUS能够引起脑血氧代谢的变化,潜在地解释了TUS敏感性的变化。上述研究成果揭示了经颅磁声刺激以及经颅超声刺激在生物神经系统中的作用机制,为神经类疾病的治疗提供了理论基础。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R338
【图文】：

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燕山大学工学硕士学位论文第 2 章放电节律分析理论基础2.1 经颅磁声刺激的原理超声和磁场在神经组织中共同作用进而产生霍尔效应[54]。经颅磁声刺激的物理原理是神经组织中的离子在超声波的作用下发生振动，由于静磁场与带电离子的运动方向垂直，所以在组织中的带电离子间产生洛伦兹力[55]，产生的洛伦兹力把正负离子带往相反的方向，从而形成电流刺激神经元。在我们的研究中，使用笛卡尔坐标系。我们假设，在脑组织中，超声压力波沿着 z 轴传播，静磁场沿着 x 轴，电流密度沿着 y 轴。超声和磁场在神经组织内产生电流的原理示意图如图 2-1 所示。

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燕山大学工学硕士学位论文的放电频率适应性以及放电节律等特点。在 MATLAB 中完成超声波的调制是进行数据仿真的基础。我们针对形式为正弦的超声波进行了相关的仿真和验证。如图 2-2a)与图 2-2b)我们分析了sin(2π f )与偏振后sin(2π f ) 1两种不同的超声波。如图 2-2c)到图 2-2f)，在同一神经元模型及刺激强度下，无偏振超声波对钠电流与跨膜电压没有明显的影响；而偏置后的超声波对钠电流和跨膜电压有了显著的影响，产生相应的动作电位。

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第 2 章放电节律分析理论基础关闭，这之间的时间间隔只有大约5 510 7 10 2 s，在如此短的时间内，钠离并不能被激活，也就不能实现动作电位的发放。但是设定超声波的波形是偏正弦波 sin(2πf)+1 后，会得到无负相位的磁声刺激电流，这样就有了足够的时钠离子通道被激活，产生离子浓度的变化，进而产生动作电位。对此表明了的超声波的有效性。

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