软物质波导与神经信号传输物理机制研究

In 2012, we presented for the first time a new model, that a dielectric sheet sandwiched in electrolyte fluids at its both sides forms a softmaterial electromagnetic (EM) waveguide. The transmission property of such a softmaterial waveguide is similar to a metallic parallel plate waveguide but with lower transmission efficiency; and, in a biosystem, a softmaterial waveguide structure is formed by the axon membrane (phospholipid bilayer, or myelin sheath) together with the electrolyte fluids in and out of the membrane. When the ion channels embedded in the axon membrane are open, the ion flow cause reverse of the transmembrane ion concentration, resulting in a measurable action potential. Meanwhile, the transient ion current passing through the open ion channels can introduce a pulse of EM wave as an antenna does, and such a pulsed EM wave can transmit efficiently within the electrolyte-membrane-electrolyte waveguide and trigger the opening of neighboring ion channels. This new model can clearly explain the mechanism of "saltatory propagation" of action potential between neighboring Nodes of Ranvier, which still remains unclear by far. In this project, we will study the transmission properties of softmaterial waveguides of varied dimensions by both computational simulation and experiments. We will carry out a multi-scale model and practical formulas for the interaction of EM waves with a variety of softmaterials, and achieve a most optimized model of softmaterial waveguides with high performance. Furthermore, we will verify our new theory on the generation and transmission of EM pulses along bio-waveguides in a biosystem. The results will offer solid theoretical foundation and technical approach for live experiments on the same subject, therefore bring in profound impact on the development of neuroscience and brain research. Also, the research will provide novel methods and results for the study on electromagnetic properties of softmaterials, and it is hopeful to establish a brand new condensed matter signal propagation system based on softmaterial.

申请人与合作者2012年首次提出均匀电介质层夹在两侧导电液体中的三明治结构可形成软物质波导，其传输特性类似金属平行板波导，但传输效率较低；生物体神经元轴突磷酯膜层与两侧电解液也能构成电磁波导，由嵌于轴突膜上蛋白质离子通道受激开启后，跨膜瞬态电流产生的脉冲电磁波能在其中有效传输，触发相邻的离子通道开启。该理论能清晰解释有髓神经朗飞结之间神经脉冲"跳跃式传导"这一至今尚无定论的重要机制。 本项目拟通过模拟计算以及在实验中设计制备不同尺度软物质波导结构并测量其传输特性，总结出电磁波与软物质相互作用的多尺度模型和有效经验公式，提出具最优传输性能的软物质波导结构模型,进而验证电磁波在生物体中激发并沿类似结构的生物波导传播的理论假设。其成果将为生物体信号传递研究提供理论依据和实验基础，推动神经学与脑科学发展，并为软物质电磁特性研究提供新的思路和成果，有望建立一种全新的基于软物质凝聚态的信号传输体系。

本项目讨论脑科学与神经科学的重要问题。基本目标是构建一个电磁波与溶液的相互作用模型，通过实验制备和测量软物质波导器件，获得软物质波导传输特性的实验数据，以检验生物体中存在软物质波导的理论。我们运用计算机模拟仿真和实验测量，表明“溶液-介电层-溶液”结构能够有效汇聚电磁波能量，连续电磁波和电磁脉冲在这样的结构中比在溶液中能够传输更远的距离才达到同样的衰减程度。证实了“溶液-介电层-溶液”是“软物质波导”，也定量研究了软物质波导结构中，介电层厚度、内外层溶液浓度等参数对电磁波传输效率的影响。我们讨论了介质层薄膜在生物体内对电容性储能的作用、脉冲电磁信号的产生机制、脉冲电磁信号在有薄膜和两侧生物溶液构成的软物质波导结构中的传输机制，解释了生物中常见却无法用现行教科书解释的“同时性现象”，即大量的单元生物组件（如鞭毛、放电细胞等）同时对单一信号在1ms时间尺度内同时作出反应的现象其背后的物理机制。我们前期理论预言，在一个介质空腔流体系统中，由于溶液中离子在介质空腔壁附近吸附聚集造成径向离子浓度梯度，也会对电磁波表现出软物质波导特性。在生物体中，这样的结构相当于组织间隙，与中医传统经络理论有类似之处。我们用二维图谱技术验证了一些原穴表皮位置具有尖锐的电导峰，首次观察到12原穴的阻抗谱随着肢体传动角度的变化，出现各自独立的转角变化规律。从一个侧面证实了不同的经络走向，对应不同的体内组织间隙通道，引起国内外专家的重视。我们研制了三种具备微米电极阵列和温度传感阵列的3D探针，也完善了多种薄膜温度传感器的制备和测量技术，成功探测到单个离体培养细胞局域升温。这些技术进步为进一步测量相邻神经元之间的电学通讯特性、原位测量大脑工作时局域温度的升降、鉴定大脑皮层活跃细胞层的确切位置从而验证新的脑记忆与工作机制理论，奠定了技术基础。我们还探索了脑记忆机制和脑工作机制，提出了原创的新理论。本项目的研究结果将能够为神经学科疾病的治疗带来新的技术方案和理论依据，也有可能为神经学、电生理学、大脑研究等带来重要的贡献。