《海馬錐體細胞外場效應建模及其假突觸調控機制的研究》是依託天津大學，由魏熙樂擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：海馬錐體細胞外場效應建模及其假突觸調控機制的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：魏熙樂
- 依託單位：天津大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對低強度極低頻電磁場調節生物神經電活動的機理尚不清楚的現狀，提出以細胞外介質為媒介的假突觸調控機制假說，即假突觸調控機製作為化學突觸傳遞以及鉀離子擴散耦合機制的補充機制，其對神經電活動的調節起到至關重要的作用，包括：1、外電場對細胞的空間極化作用；2、外電場通過延遲或提前細胞動作電位的產生時刻增強其對群體放電行為的影響；3、群放電對細胞外電場強度的敏感性依賴於外電場頻率和細胞外介質的電特性。基於海馬錐體細胞具有對電場調製十分有利的空間幾何結構，選擇其作為研究對象，首次結合細胞外介質的電特性建立其外場效應模型並驗證所提假說，量化外電場通過假突觸調控方式影響從單細胞到細胞群體放電行為的作用機制。.該研究對於探明環境電磁場的生物電磁效應具有潛在的理論意義和現實意義：一方面，為臨床電磁場治療神經疾病提供理論基礎和有效的治療方案；另一方面，為環境電磁場對人體健康影響的相關實驗研究提供理論依據。
結題摘要
在理論和實驗數據分析下，結合細胞外介質的電特性，建立了海馬錐體神經元場效應模型，並利用神經形態學仿真技術建立了數位化高速神經元網路FPGA仿真平台；研究了細胞外感應電場如何通過假突觸調控神經電活動，揭示其潛在的生物物理機制，主要取得了如下成果： （1）結合細胞外介質的電特性，建立了能夠體現細胞極化效應的海馬錐體神經元場效應模型，並驗證了模型的有效性； （2）研究結果表明隨著正極性電場幅值增大，神經元興奮性顯著增強；一定幅值範圍內的負極性電場能夠抑制神經元放電，然而與預期相反，較大強度的負極性電場非但不能抑制神經元放電，反而會增強神經元興奮性； （3）研究表明細胞外介質的電特性即假突觸顯著影響神經元對細胞外電場的敏感性，沿樹突-胞體軸線的細胞外電阻越大，則場效應越強，暗示了假突觸傳遞能夠在較大程度上調控網路的同步狀態； （4）研究結果表明神經元對細胞外電場的敏感性與細胞幾何結構密切相關，在p接近0（胞體消失）或者1（樹突消失）的極限狀態時，細胞外電場不會影響細胞內電活動，暗示了具有樹突-胞體軸線結構的細胞對細胞外電場較敏感，相反，細胞外電場難以影響球形對稱結構的細胞。 （5） 研究結果表明在化學突觸被阻斷情況下足夠強的假突觸耦合強度能夠獨立誘發神經集群同步，並且同步狀態與網路規模大小密切相關；隨著網路規模增大，獨立依靠假突觸耦合難以實現集群同步。 （6）研究結果表明低鈣環境有助於網路同步，細胞外Ca2+濃度降低導致神經元的自發放電率提高，使得達到網路同步所需的假突觸耦合強度顯著降低，極易誘發癲癇樣放電行為，暗示了場效應互動可能是低鈣癲癇發作的潛在機制之一。 （7）研究表明神經元固有特性即相回響特性（PRC）類型不同，興奮性弱耦合振子在細胞外電場作用下同步特性差異較大，且具有I類PRC特性的耦合振子比具有II類PRC特性的耦合振子更容易達到同步狀態。 （8）相平面數學分析表明交流外電場作用下細胞放電通過鞍結分岔或Hopf分岔產生動作電位；且外電場通過影響興奮性/抑制性離子電流的競爭機制，改變神經元放電的起始動態特性。 （9）研究了基於FPGA技術的神經形態學硬體仿真方法，提出了流水線運算元和神經元流水線模型的概念，並在此基礎上構建了數位化高速硬體仿真實驗平台，為實時仿真複雜高維的大規模神經集群場效應模型提供了開發平台。
