樹突非線性對電場作用下神經編碼的影響機制研究

《樹突非線性對電場作用下神經編碼的影響機制研究》是依託天津大學，由伊國勝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：樹突非線性對電場作用下神經編碼的影響機制研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：伊國勝
• 依託單位：天津大學

項目摘要

無創式電磁腦調製（NBM）技術被廣泛用於研究大腦的認知功能和神經精神疾病的治療，但對其作用機制的理解遠落後於套用，而機制研究對於NBM的裝置最佳化和劑量設定具有重要意義。NBM誘發電場對神經活動的調節具有明顯特異性，這與神經元固有特性密切相關，特別是樹突非線性。然而，樹突非線性如何影響電場作用下神經編碼尚不清楚。項目提出假說：樹突非線性通過調控樹突對突觸輸入的運算結果，干預胞體動作電位的產生及發放進而影響神經編碼。.項目描述樹突非線性對樹突輸出的影響以及樹突輸出與神經回響的關係，闡釋樹突非線性參與電場誘發神經編碼的機理。採用計算模型量化樹突增益，分析樹突非線性與樹突輸出的關係；建立電場作用下神經元模型，刻畫電場對樹突增益的調節規律，描述電場與樹突非線性的相互作用及對樹突輸出的影響；採用非線性動力學方法，分析樹突增益、放電閾值和神經元輸出增益之間的關係，揭示樹突輸出影響神經回響的生物物理機制。

結題摘要

研究電場作用下神經元編碼特性對於無創式腦調製技術的標準化和科學化具有重要意義。項目採用計算模型和動力學方法刻畫電場作用下樹突非線性運算特性和動作電位發放過程，有助於科學理解電場對神經編碼的調節效應，為揭示無創式腦調製技術的作用機理提供了理論基礎和科學依據。根據NEURON中的“胞外機制”，建立了電場作用下不同形式神經元計算模型，用以描述樹突形態、離子通道和放電起始動態。基於構建的計算模型，完成了如下三方面內容：首先，研究了樹突固有特性對樹突非線性運算的調控規律。通過刻畫樹突直徑、分支和突觸輸入位置與樹突輸出增益之間的關係，得到了樹突形態對樹突亞線性輸出的影響規律。分析了樹突Ca2+放電和Na+放電的動態特性，建立了二者與樹突超線性輸出之間的內在聯繫。通過計算樹突ATP消耗，得到了突觸強度、樹突電壓、胞體反傳Na+放電和Ca2+通道抑制性對樹突Ca2+放電的影響規律。然後，研究了電場對樹突非線性運算的調節規律。通過計算不同電場強度下樹突的輸出增益，得到了電場強度和空間形態對樹突非線性運算的影響規律。通過計算樹突Ca2+放電閾值，建立了電場參數與樹突Ca2+放電的內在聯繫，得到了錐體神經元在電場作用下的重合檢測特性。通過刻畫樹突能量消耗，得到了電場頻率與樹突回響之間的量化關係。最後，分析了樹突非線性對神經回響的影響機制。通過計算電場刺激閾值，得到了樹突直徑、長度、個數、彎曲和分支對電場作用下神經元回響的調控規律。採用相平面和分岔方法，揭示了樹突Ca2+放電誘發胞體簇放電的動力學機制，建立了樹突被動特性和動作電位閾值之間的生物物理聯繫。通過計算Na+放電能量消耗，得到了突觸強度、興奮抑制比、樹突形態和主動電流對神經元輸出的影響規律。通過計算胞體放電頻率，建立了突觸輸入和電場參數與神經元逆向激活之間的內在聯繫。