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脊髓神经元中持续内向电流特殊形态形成机制的模型研究

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脊髓神经元中持续内向电流特殊形态形成机制的模型研究

作者：赖恒发华东师范大学

学位级别：硕士

脊椎动物的行进运动是由分布于脊髓中的神经网络所控制,由构成网络的脊髓神经元的节律性兴奋与抑制所产生的,因此神经元的放电特性是神经信号传递与解码的关键,其中离子通道发挥了重要的作用。持续性内向电流(PIC)是一种在脊椎动物中枢... 详细信息

脊椎动物的行进运动是由分布于脊髓中的神经网络所控制,由构成网络的脊髓神经元的节律性兴奋与抑制所产生的,因此神经元的放电特性是神经信号传递与解码的关键,其中离子通道发挥了重要的作用。持续性内向电流(PIC)是一种在脊椎动物中枢神经系统中广泛存在的一种离子通道,它对脊髓神经元的放电具有重要的贡献。研究表明,在小鼠脊髓神经元中由斜坡电压引发的PIC具有多种形态。由于PIC激活的时间常数与失活的时间常数一般不同,而且PIC在电压斜波上升阶段(A-PIC)与下降阶段(D-PIC)的电压依赖性不同,导致A-PIC和D-PIC在形状、幅度值、起始电压((1(1)和截止电压((1(1)等方面不尽相同。这些差异导致了小鼠脊髓神经元的PIC具有六种放电模式,这些放电模式的内在离子通道机制目前尚不清楚,而且由于技术条件的限制,目前亦无法通过生理实验来进一步研究。为此,本论文将通过神经元模型仿真的技术手段来详尽研究PIC的特殊放电模式以及导致这些模式产生的离子通道机制。本研究基于脊髓神经元的生理指标以及生物物理学参数,运用Hodgkin-Huxley理论、电缆理论和舱体模型技术,在NEURON仿真软件的平台上构建运动神经元模型。该模型是一个高度简化的神经元模型,但具备了符合生理指标的放电特性,它包含一个胞体(soma)和三个树突(dendrite)四个舱体。模型的指标包含了神经元的长度、直径、膜电容、膜电阻等被动模特性参数;同时还包含了产生PIC的持续性钠离子通道(Na P)、L型钙离子通道(Ca L)、TDR型钠离子通道以及漏电流离子通道(Leak)等主动膜特性参数。运用该模型,本论文研究了各种离子通道激活曲线的调控(既离子通道PIC激活电压的改变)对PIC不同模式之间进行转换的机制,模型仿真的主要结果如下:(1)在正常单一的PIC模式中,当Na-PIC的激活电压逐渐超级化或TDR-PIC逐渐去极化时,单一的PIC模式将转换为二级台阶PIC模式。(2)单一PIC由Na-PIC的激活电压超级化转换为二级台阶PIC模式时,Na-PIC主要对第一级PIC具有贡献作用。(3)对Ca-PIC的激活电压调控过程中(去极化或超级化)发现,Ca-PIC主要贡献于第二级PIC而对第一级PIC的贡献很小。(4)对TDR-PIC的激活电压逐渐去极化也可以将单一的PIC模式转换为二级台阶PIC模式,在此过程中TDR-PIC同样是对第二级PIC产生贡献。(5)在二级台阶的PIC模式中,进一步将Na-PIC的激活电压超级化或TDR-PIC的激活电压去极化,可以产生三级台阶的PIC。总结以上结果,本论文研究得出的结论是:(1)无论A-PIC和D-PIC的幅度是否相等,通过离子通道激活曲线的调节,均可以将单一的PIC模式转换为特殊的台阶PIC模式;(2)不同模式之间的转换是由于构成PIC的不同成分Na-PIC、Ca-PIC和TDR-PIC的激活电压有明显的差异,顺序激活这些通道的电压导致台阶PIC模式的产生;(3)激活电压较低的Na-PIC主要对第一级PIC产生贡献,激活电压较高的Ca-PIC和TDR-PIC主要对第二级PIC产生贡献;当三种成分的PIC激活电压差异明显时,首先激活Na-PIC,其次激活Ca-PIC,最后激活TDR-PIC,这将产生三级的台阶PIC。本论文揭示了单一PIC模式与多级台阶PIC模式相互转换的内在机制,为进一步开展神经生理的实验提供了思路,同时也为智能化运动控制系统的设计提供参考与依据。本论文的创新之处在于:在生理实验的基础上构建符合脊髓神经元电生理特性的神经元模型,为模型仿真提供了实验平台;更进一步,通过模型仿真研究了小鼠脊髓神经元中PIC不同模式之间转换的离子通道机制。

关键词：神经元兴奋性神经元建模生物信息处理持续内向电流离子通道

膜振荡与兴奋性：白噪声对舌下运动神经元兴奋性调节的离子通道机制仿真研究

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膜振荡与兴奋性：白噪声对舌下运动神经元兴奋性调节的离子通道机...

作者：周俊雅华东师范大学

学位级别：硕士

舌下运动神经元（Hypoglossal Motoneuron）是十二对颅神经中的一对,发源于延髓背侧核团,从延髓锥体的前外侧沟穿出,支配舌肌的运动。舌下运动神经元的损伤可以导致舌肌瘫痪,引发一系列病症,比如舌头麻痹不能外伸,造成言语、吞咽障碍等... 详细信息

舌下运动神经元（Hypoglossal Motoneuron）是十二对颅神经中的一对,发源于延髓背侧核团,从延髓锥体的前外侧沟穿出,支配舌肌的运动。舌下运动神经元的损伤可以导致舌肌瘫痪,引发一系列病症,比如舌头麻痹不能外伸,造成言语、吞咽障碍等,对生命健康造成严重伤害。因此,研究舌下运动神经元的细胞膜特性非常重要,特别是研究神经元兴奋性的调节机制至关重要,这是从机理上治疗舌肌瘫痪的基础。研究表明,由神经系统突触传递信号所产生的细胞膜振荡对神经元的兴奋性具有重要的调节作用,而在舌下运动神经元中注入白噪声电流信号可以人工模拟出高度相似的细胞膜振荡,对神经元的兴奋性产生调节作用,特别对神经元输入-输出关系,即频率-电流（Frequency-Current:F-I）关系起到重要的调节作用,然而这种兴奋性调节的离子通道机制目前尚不明确。鉴此,本论文基于生理研究尚未解决的这一问题,通过数学建模和仿真模拟的技术手段,研究白噪声对舌下运动神经元兴奋性调节的离子机制。本文在舌下运动神经元的电生理参数基础上,运用电缆理论（Cable）、舱体（Compartment）理论以及霍奇金-赫胥黎（Hodgkin-Huxley）理论建立了舌下运动神经元模型。该模型包含六种不同类型的电压门控离子通道,分别是瞬时钠离子（Na T）、持续钠离子（Na P）、延迟整流钾离子（K（DR））、钙离子激活的钾离子（K（AHP））、L类型钙离子（Ca L）以及超级化激活的H电流（H-current）离子通道。该模型在白噪音信号输入的条件下能够完整一致地模拟出生理实验测量的舌下运动神经元的细胞膜参数,包括神经元的电压阈值、电流阈值、去募集电流强度等指标,但是对神经元F-I关系的模拟结果出现较大的偏差。为此,本论文在离子通道的门控模型中引入了振荡因子,强化了白噪声信号对离子通道的振荡作用,进而提升了神经元对膜振荡信号的反应强度。模型仿真的结果表明:能够最佳模拟舌下运动神经元F-I关系斜率变化的离子通道顺序是:Na T＞K（DR）＞Na P＞Ca L;模拟F-I关系截距变化的顺序是:Na T＞K（DR）＞Na P＞Ca L。因此,本论文得出结论:白噪声对舌下运动神经元兴奋性的调节作用（特别是对F-I关系的调节作用）是通过振荡因子对离子通道Na T和K（DR）的协同调节来实现的。本论文运用模型仿真的方法研究了舌下运动神经元在白噪声状态下的细胞膜特性;根据离子通道的门控特点,在离子通道的动力学方程中引入了膜振荡因子,系统探究了白噪声对神经元兴奋性调节的离子通道机制;预测了对离子通道Na T和K（DR）的协同调节是细胞膜振荡能够调节舌下运动神经元兴奋性的机制。本论文的研究结果为后续生理实验研究提供了思路,在神经生理机制的意义上对舌肌瘫痪的治疗有一定的参考作用。

关键词：神经元建模细胞膜振荡白噪声神经元兴奋性离子通道

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三维外部电场对视神经纤维兴奋性影响的研究

三维外部电场对视神经纤维兴奋性影响的研究

作者：任玉强上海交通大学

学位级别：硕士

视觉是人类感知世界的重要工具,在世界上有视力残疾的人约为1.8亿,其中盲人有4500万,社会上对视觉丧失的人工修复研究有着极高的需求。目前已有许多科学小组致力于人工视觉修复的研究,并取得一定的研究成果。其中,用刺入式微电极阵列对... 详细信息

视觉是人类感知世界的重要工具,在世界上有视力残疾的人约为1.8亿,其中盲人有4500万,社会上对视觉丧失的人工修复研究有着极高的需求。目前已有许多科学小组致力于人工视觉修复的研究,并取得一定的研究成果。其中,用刺入式微电极阵列对视神经进行电刺激实现视觉修复的视神经视觉假体,是一种新的视觉修复手段。通过数学建模及计算机仿真对神经元及神经元网络进行仿真已经成为神经科学家进行科学研究的重要手段。因此,用数学模型的方法研究微电极刺激视神经纤维,了解视神经对于电刺激的响应规律,对视神经视觉假体的研究具有十分重要的意义。本文研究了视神经计算模型在仿真外部电场刺激下的响应特性,可用于揭示视神经对外部电刺激响应的电生理学机制,为视神经假体视觉修复提供了计算仿真方面的研究基础。本文的研究内容主要包括以下几个方面:一、分析了各种神经元建模的方法,以双层电缆多室模型为建模方法,用神经元建模软件NEURON对视神经纤维进行精确的建模。二、用Maxwell 3D有限元软件对刺激器电极产生的外部电场进行有限元仿真。三、对Maxwell软件和NEURON软件进行了有效对接,实现了电极刺激视神经纤维的仿真。四、开展了大量的微电极刺激视神经纤维的仿真实验,具体研究了胞外点电流源、有限元仿真单电极、有限元仿真双电极刺激视神经纤维。五、对仿真结果进行了分析和讨论。研究结果表明,电极施加正负脉冲电流刺激视神经纤维对动作电位的产生有不同的影响,电极刺激位点、电极结构、电极排列方式、电极间距、刺激模式的改变都会对刺激阈值产生影响。本论文的创新点,主要在于首次用双层神经电缆多室模型对视神经纤维进行了建模,并尽可能考虑了各种离子通道,利用有限元软件对外部电场进行了更加精确的仿真。与之前对视神经的建模相比,本模型更加完整。通过对电极刺激视神经纤维的仿真,为微电极结构和刺激方案的设计提供了理论指导。

关键词：神经元建模视神经模型有限元仿真刺激策略刺激阈值

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一种新型脉冲神经元模型及其网络的研究

国际生物医学工程杂志 2020年第1期43卷 1-10页

作者：王卫东王子华许燕樊瑜波北京航空航天大学生物与医学工程学院北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心100191 中国人民解放军总医院生物医学工程研究中心生物医学工程与转化医学工信部重点实验室北京100039

目的提出一种新型脉冲神经元模型及其网络,描述其建模方法,并用计算机模拟验证其性能。方法在充分考虑生物学适应性(激活电位阈值和不应期开关),及其对尖峰放电脉冲产生及其传导的动态调节机制基础上,在新型脉冲神经元模型中引入了突出... 详细信息

目的提出一种新型脉冲神经元模型及其网络,描述其建模方法,并用计算机模拟验证其性能。方法在充分考虑生物学适应性(激活电位阈值和不应期开关),及其对尖峰放电脉冲产生及其传导的动态调节机制基础上,在新型脉冲神经元模型中引入了突出后电位多通道滤波器,实现了输出电流及神经元突触强度的动态调节。提出基于自适应最小均方(LMS)的误差反向传播(BP)学习算法,并将其应用于尖峰放电神经网络的调节。结果在自发噪声下,新型脉冲神经元模型的尖峰放电间期信号直方图满足泊松分布。通过2个新型脉冲神经元的简单连接,可以形成多种复杂的尖峰放电模式。新型脉冲神经元模型具有自发本征噪声的特征,能够形成复杂的周期尖峰放电模式。对于输入噪声控制,该模型的不应期与门限电位适应性参数的稳定性较好。刺激电流-尖峰放电脉冲频率间的线性关系较好。结论所提出的新型脉冲神经元模型在自发噪声条件下能产生多种模式的振荡和相干振荡,这与生物神经元极其相似,能实现复杂的噪声信号处理。所采用的具有不同频带的多通道突触后电位滤波器,能使一些突触后电位信号变得平稳。所提出的基于于自适应LMS的BP学习算法克服了尖峰放电信号的瞬态变化特性导致的误差驱动学习算法无法应用的问题。

关键词：神经元建模人工神经网络尖峰放电脉冲神经网络学习算法类脑计算