海马锥体细胞外场效应建模及其假突触调控机制的研究

针对低强度极低频电磁场调节生物神经电活动的机理尚不清楚的现状，提出以细胞外介质为媒介的假突触调控机制假说，即假突触调控机制作为化学突触传递以及钾离子扩散耦合机制的补充机制，其对神经电活动的调节起到至关重要的作用，包括：1、外电场对细胞的空间极化作用；2、外电场通过延迟或提前细胞动作电位的产生时刻增强其对群体放电行为的影响；3、群放电对细胞外电场强度的敏感性依赖于外电场频率和细胞外介质的电特性。基于海马锥体细胞具有对电场调制十分有利的空间几何结构，选择其作为研究对象，首次结合细胞外介质的电特性建立其外场效应模型并验证所提假说，量化外电场通过假突触调控方式影响从单细胞到细胞群体放电行为的作用机制。.该研究对于探明环境电磁场的生物电磁效应具有潜在的理论意义和现实意义：一方面，为临床电磁场治疗神经疾病提供理论基础和有效的治疗方案；另一方面，为环境电磁场对人体健康影响的相关实验研究提供理论依据。

在理论和实验数据分析下，结合细胞外介质的电特性，建立了海马锥体神经元场效应模型，并利用神经形态学仿真技术建立了数字化高速神经元网络FPGA仿真平台；研究了细胞外感应电场如何通过假突触调控神经电活动，揭示其潜在的生物物理机制，主要取得了如下成果：.（1）结合细胞外介质的电特性，建立了能够体现细胞极化效应的海马锥体神经元场效应模型，并验证了模型的有效性；.（2）研究结果表明随着正极性电场幅值增大，神经元兴奋性显著增强；一定幅值范围内的负极性电场能够抑制神经元放电，然而与预期相反，较大强度的负极性电场非但不能抑制神经元放电，反而会增强神经元兴奋性；.（3）研究表明细胞外介质的电特性即假突触显著影响神经元对细胞外电场的敏感性，沿树突-胞体轴线的细胞外电阻越大，则场效应越强，暗示了假突触传递能够在较大程度上调控网络的同步状态；.（4）研究结果表明神经元对细胞外电场的敏感性与细胞几何结构密切相关，在p接近0（胞体消失）或者1（树突消失）的极限状态时，细胞外电场不会影响细胞内电活动，暗示了具有树突-胞体轴线结构的细胞对细胞外电场较敏感，相反，细胞外电场难以影响球形对称结构的细胞。.（5） 研究结果表明在化学突触被阻断情况下足够强的假突触耦合强度能够独立诱发神经集群同步，并且同步状态与网络规模大小密切相关；随着网络规模增大，独立依靠假突触耦合难以实现集群同步。.（6）研究结果表明低钙环境有助于网络同步，细胞外Ca2+浓度降低导致神经元的自发放电率提高，使得达到网络同步所需的假突触耦合强度显著降低，极易诱发癫痫样放电行为，暗示了场效应交互可能是低钙癫痫发作的潜在机制之一。.（7）研究表明神经元固有特性即相响应特性（PRC）类型不同，兴奋性弱耦合振子在细胞外电场作用下同步特性差异较大，且具有I类PRC特性的耦合振子比具有II类PRC特性的耦合振子更容易达到同步状态。.（8）相平面数学分析表明交流外电场作用下细胞放电通过鞍结分岔或Hopf分岔产生动作电位；且外电场通过影响兴奋性/抑制性离子电流的竞争机制，改变神经元放电的起始动态特性。.（9）研究了基于FPGA技术的神经形态学硬件仿真方法，提出了流水线算子和神经元流水线模型的概念，并在此基础上构建了数字化高速硬件仿真实验平台，为实时仿真复杂高维的大规模神经集群场效应模型提供了开发平台。