軟物質波導與神經信號傳輸物理機制研究

《軟物質波導與神經信號傳輸物理機制研究》是依託北京大學，由許勝勇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：軟物質波導與神經信號傳輸物理機制研究
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：許勝勇
• 項目類別：面上項目

項目摘要

申請人與合作者2012年首次提出均勻電介質層夾在兩側導電液體中的三明治結構可形成軟物質波導，其傳輸特性類似金屬平行板波導，但傳輸效率較低；生物體神經元軸突磷酯膜層與兩側電解液也能構成電磁波導，由嵌於軸突膜上蛋白質離子通道受激開啟後，跨膜瞬態電流產生的脈衝電磁波能在其中有效傳輸，觸發相鄰的離子通道開啟。該理論能清晰解釋有髓神經朗飛結之間神經脈衝跳躍式傳導這一至今尚無定論的重要機制。 本項目擬通過模擬計算以及在實驗中設計製備不同尺度軟物質波導結構並測量其傳輸特性，總結出電磁波與軟物質相互作用的多尺度模型和有效經驗公式，提出具最優傳輸性能的軟物質波導結構模型,進而驗證電磁波在生物體中激發並沿類似結構的生物波導傳播的理論假設。其成果將為生物體信號傳遞研究提供理論依據和實驗基礎，推動神經學與腦科學發展，並為軟物質電磁特性研究提供新的思路和成果，有望建立一種全新的基於軟物質凝聚態的信號傳輸體系。

結題摘要

本項目討論腦科學與神經科學的重要問題。基本目標是構建一個電磁波與溶液的相互作用模型，通過實驗製備和測量軟物質波導器件，獲得軟物質波導傳輸特性的實驗數據，以檢驗生物體中存在軟物質波導的理論。我們運用計算機模擬仿真和實驗測量，表明“溶液-介電層-溶液”結構能夠有效匯聚電磁波能量，連續電磁波和電磁脈衝在這樣的結構中比在溶液中能夠傳輸更遠的距離才達到同樣的衰減程度。證實了“溶液-介電層-溶液”是“軟物質波導”，也定量研究了軟物質波導結構中，介電層厚度、內外層溶液濃度等參數對電磁波傳輸效率的影響。我們討論了介質層薄膜在生物體內對電容性儲能的作用、脈衝電磁信號的產生機制、脈衝電磁信號在有薄膜和兩側生物溶液構成的軟物質波導結構中的傳輸機制，解釋了生物中常見卻無法用現行教科書解釋的“同時性現象”，即大量的單元生物組件（如鞭毛、放電細胞等）同時對單一信號在1ms時間尺度內同時作出反應的現象其背後的物理機制。我們前期理論預言，在一個介質空腔流體系統中，由於溶液中離子在介質空腔壁附近吸附聚集造成徑向離子濃度梯度，也會對電磁波表現出軟物質波導特性。在生物體中，這樣的結構相當於組織間隙，與中醫傳統經絡理論有類似之處。我們用二維圖譜技術驗證了一些原穴表皮位置具有尖銳的電導峰，首次觀察到12原穴的阻抗譜隨著肢體傳動角度的變化，出現各自獨立的轉角變化規律。從一個側面證實了不同的經絡走向，對應不同的體內組織間隙通道，引起國內外專家的重視。我們研製了三種具備微米電極陣列和溫度感測陣列的3D探針，也完善了多種薄膜溫度感測器的製備和測量技術，成功探測到單個離體培養細胞局域升溫。這些技術進步為進一步測量相鄰神經元之間的電學通訊特性、原位測量大腦工作時局域溫度的升降、鑑定大腦皮層活躍細胞層的確切位置從而驗證新的腦記憶與工作機制理論，奠定了技術基礎。我們還探索了腦記憶機制和腦工作機制，提出了原創的新理論。本項目的研究結果將能夠為神經學科疾病的治療帶來新的技術方案和理論依據，也有可能為神經學、電生理學、大腦研究等帶來重要的貢獻。