电磁场作用下神经元动力学行为研究
发布时间：2020-08-28 06:24
【摘要】：神经系统是高度复杂的信息中心,信息在该系统中完成编码、传递以及决策,使机体内各个功能单位正常运作。神经元是组成神经系统的最小单位,当神经元轴突受损时,信号在神经元上的传输会受到阻塞,从而中断神经系统中信号的交流。细胞膜内外离子浓度的变化会改变神经元电活动,因此考虑在神经元受损部位施加一个弱电场来研究信号在缺陷区的传输。适当强度的弱电场可以帮助信号克服缺陷区,沿神经元轴突传输,其潜在机制可能是局部电场可以抑制缺陷部位发射的波,并且通过增加神经元轴突上的梯度强度来桥接受损区域,使信号沿轴突继续传输。这可为神经疾病的治疗提供潜在的指导。神经系统中包含大量的胶质细胞。基于Hodgkin-Huxley(HH)神经元模型,建立神经元与星形胶质细胞耦合神经系统,并考虑自突触对该耦合系统中信号传输的影响。连接到HH神经元上的自突触可以通过沿闭环施加时延反馈对膜电位进行调制,自突触的驱动可以使神经元与星形胶质细胞耦合神经系统产生不同的电活动模式,并可以控制Ca~(2+)浓度和三磷酸肌醇(IP_3)的振荡行为。新模型可以帮助我们理解神经元自适应外部强制的潜在机制。根据电磁感应定律,神经元膜电位的变化会在周围环境中产生磁场,外界磁场的变化对神经元的膜电位也会产生影响,因此除了相邻神经元之间的间隙连接耦合,也应考虑神经元之间的磁通耦合。改进后的神经元模型中,在较大参数范围内仍然可以观察到电活动多种放电模式。电活动的模式选择依赖于外界刺激以及感应电流。当对网络中的神经元施加一样的刺激时,网络可以达到同步,并且磁通耦合可以抑制信号在神经元网络中的传输。神经元不同模式的放电状态离不开外界能量的触发,信号的传输和迁移需要消耗能量。持续的能量供应对维持系统的功能是至关重要的,否则振荡行为将会减弱直至消失。细胞的新陈代谢过程中保持神经元正常的放电活动是非常重要的。对于非线性和混沌电路中电子元件的正常工作也需要持续的能量供应。基于神经元电活动的迁移、能量消耗和外界刺激电流之间的关系,根据亥姆霍兹定理,对无量纲动力系统(如混沌洛伦兹系统)计算哈密顿能量,并使用哈密顿能量对混沌系统进行轨道约束。在动力学系统中,将哈密顿能量看做一个新的变量,通过反馈方法,可以有效的保持混沌洛伦兹系统的稳定性。利用能量函数可以进一步理解神经元信息编码、传递以及决策过程中与能量的紧密关系。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R338;O441
【图文】：
在神经元上的面积；Iext是外部强制电流；E0表示外部矢量场的强度；轴突的电位梯度。该模型的参数选择为 C=1μF/cm2，最大电导0mS/cm2， Gk=36mS/cm2， G1=0.3mS/cm2， VNa=50mV ， Vk=-77mmV，Iext=20μA，D=1.06。电场沿轴突的作用可以被表示为：0 0cos( , )dVE V E E Vdx (了简单起见，本研究仅强调横向电场沿轴突的梯度效应。从数学的角场对信号的影响可以等效为 E·dV/dx。轴突被分为 N=200 个节点，坐方向。据以前的工作，离子通道阻塞会使通道电导发生改变，从而使神经元缺陷区域，缺陷区域可以发射连续的脉冲阻止正常的信号传输。当神露在电磁辐射下时，沿着神经元轴突的信号会受到电磁场的影响。本讨轴突局部区域（120≤i≤130）由离子通道电导异常产生缺陷，当电陷部位（115≤i≤135）时，信号沿轴突的传输情况。受损伤的神经元所示：
电磁场作用下神经元动力学行为研究2.2 数值结果与讨论使用欧拉向前差分法计算方程 2-1 的数值解，时间步长为 h=0.002，轴突离散为 201 个节点，Δx=0.5，计算周期约为 100001 个时间单位，采用无流边界条件。为了简单起见，外部强制电流施加在节点 4≤i≤6（三个节点由外部强制电流驱动）以触发脉冲波，通过改变 120≤i≤130 区域离子通道电导或者是漏电流的电导产生局部异质区域（缺陷）。首先对钠离子通道异常进行研究，神经元处于正常状态时，钠离子通道的最大电导为 GNa=120mS/cm2。改变异质区域钠离子的电导，纵坐标 S 表示轴突取向，横坐标表示时间。结果如图 2.2-2.5 所示：
钠离子通道的最大电导为 GNa=120mS/cm。改变异质区域钠离子的电导，纵坐标 S 表示轴突取向，横坐标表示时间。结果如图 2.2-2.5 所示：图 2.2 钠离子正常电导为 GNa=120mS/cm2,当钠离子电导局部(120≤i≤130)异常时,信号沿轴突传播情况,(a)GNa=30mS/cm2;(b)GNa=25mS/cm2; (c)GNa=20mS/cm2由图 2.2 可以看出改变钠离子通道电导可以破坏信号在轴突上的传输，钠离子通道受损或者中毒时，通道电导的值变小，信号传输被终止。当钠离子通道的电导降低到 GNa=26mS/cm2时，信号的传输才会受到阻塞；当 GNa=20mS/cm2时会完全阻止由外部强制电流引起的传播脉冲波。在异质区施加电场帮助电信号克服阻塞。结果如图 2.3 所示（“-”表示沿轴突的相反方向）：
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R338;O441
【图文】：
在神经元上的面积；Iext是外部强制电流；E0表示外部矢量场的强度；轴突的电位梯度。该模型的参数选择为 C=1μF/cm2，最大电导0mS/cm2， Gk=36mS/cm2， G1=0.3mS/cm2， VNa=50mV ， Vk=-77mmV，Iext=20μA，D=1.06。电场沿轴突的作用可以被表示为：0 0cos( , )dVE V E E Vdx (了简单起见，本研究仅强调横向电场沿轴突的梯度效应。从数学的角场对信号的影响可以等效为 E·dV/dx。轴突被分为 N=200 个节点，坐方向。据以前的工作，离子通道阻塞会使通道电导发生改变，从而使神经元缺陷区域，缺陷区域可以发射连续的脉冲阻止正常的信号传输。当神露在电磁辐射下时，沿着神经元轴突的信号会受到电磁场的影响。本讨轴突局部区域（120≤i≤130）由离子通道电导异常产生缺陷，当电陷部位（115≤i≤135）时，信号沿轴突的传输情况。受损伤的神经元所示：
电磁场作用下神经元动力学行为研究2.2 数值结果与讨论使用欧拉向前差分法计算方程 2-1 的数值解，时间步长为 h=0.002，轴突离散为 201 个节点，Δx=0.5，计算周期约为 100001 个时间单位，采用无流边界条件。为了简单起见，外部强制电流施加在节点 4≤i≤6（三个节点由外部强制电流驱动）以触发脉冲波，通过改变 120≤i≤130 区域离子通道电导或者是漏电流的电导产生局部异质区域（缺陷）。首先对钠离子通道异常进行研究，神经元处于正常状态时，钠离子通道的最大电导为 GNa=120mS/cm2。改变异质区域钠离子的电导，纵坐标 S 表示轴突取向，横坐标表示时间。结果如图 2.2-2.5 所示：
钠离子通道的最大电导为 GNa=120mS/cm。改变异质区域钠离子的电导，纵坐标 S 表示轴突取向，横坐标表示时间。结果如图 2.2-2.5 所示：图 2.2 钠离子正常电导为 GNa=120mS/cm2,当钠离子电导局部(120≤i≤130)异常时,信号沿轴突传播情况,(a)GNa=30mS/cm2;(b)GNa=25mS/cm2; (c)GNa=20mS/cm2由图 2.2 可以看出改变钠离子通道电导可以破坏信号在轴突上的传输，钠离子通道受损或者中毒时，通道电导的值变小，信号传输被终止。当钠离子通道的电导降低到 GNa=26mS/cm2时，信号的传输才会受到阻塞；当 GNa=20mS/cm2时会完全阻止由外部强制电流引起的传播脉冲波。在异质区施加电场帮助电信号克服阻塞。结果如图 2.3 所示（“-”表示沿轴突的相反方向）：
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 MA Jun;TANG Jun;;A review for dynamics of collective behaviors of network of neurons[J];Science China(Technological Sciences);2015年12期
2 Jun Ma;Jian Xu;;An introduction and guidance for neurodynamics[J];Science Bulletin;2015年22期
3 宋欣林;靳伍银;马军;;Energy dependence on the electric activities of a neuron[J];Chinese Physics B;2015年12期
4 SONG XinLin;WANG ChunNi;MA Jun;TANG Jun;;Transition of electric activity of neurons induced by chemical and electric autapses[J];Science China(Technological Sciences);2015年06期
5 任国栋;武刚;马军;陈e
本文编号：2807233
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