树突非线性对电场作用下神经元信号传导的影响

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1、国家自然科学基金资助项目（批准号：61372010）青年科学基金项目（批准号：61501330,61601320）天津大学硕士学位论文树突非线性对电场作用下神经元信号传导的影响EffectsofDendriticNonlinearPropertiesontheNeuronalProcessingModulatedbyExternalElectricFields（申请硕士学位）学科专业：控制科学与工程作者姓名：李瑶指导教师：魏熙乐副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要深度经颅磁刺激作为一种非侵入脑调制技术，通过装置中不同强度、频率的电流脉冲在脑区感应生成强度较弱的阈下电

2、场，能够在改变靶区组织兴奋性、调制神经系统活动的同时降低组织损伤程度。但是，该技术中感应电场作用于神经元信息处理过程的机制仍不清晰。因此，本文采用模型研究方法，综合分析了感应电场的空间分布规律，并对神经细胞树突非线性特性在电场调制中的作用进行了解释。首先根据现有硬件平台，基于ANSYS15.0有限元分析软件构建多线圈阵列模型。选取特定通电线圈构成不同线圈组合，研究激励线圈空间构型对感应电场空间分布特性的影响，发现感应电场的场强衰减速率和聚焦性之间存在的折衷关系。与传统8字形线圈相比，平面及帽形线圈阵列在刺激深度与聚焦性上均有所改善；而在不同构型的线圈阵列中，帽形阵列对于靶区的准确定位和刺

3、激的灵活控制上具有更大的优势。神经元形态特性是树突非线性中不可或缺的部分。通过构建简化两间室生物物理模型，使用胞体-神经元膜面积比来量化表示神经元形态参数，研究细胞形态影响电场激发神经元放电时刻的机制。通过分别刻画胞体输入电流与电场极化效应、放电起始时间之间的关系，发现了外加电场强度与膜电位极化作用线性相关；而在相同阈下电场作用下，放电时刻变化量与输入电流速度呈反比。树突钙离子活动是其非线性特性的另一重要表现形式。实验证明，神经元具有峰放电和簇放电两种时间尺度差异明显的放电模式。基于海马锥体神经细胞PR模型的仿真实验发现，直流电场强度的变化可以改变细胞放电形式；而交流电场频率的变化则会影

4、响树突钙放电特性。通过调节树突钙离子分布，可以使得神经元产生不同的电场频率敏感特性。本课题针对电场对神经系统功能的调制作用进行模型研究和机制分析，所得结论能够在TMS装置的设计优化和神经元建模分析中发挥一定的启发性作用。关键字：深度经颅磁刺激，电场极化效应，阈下活动，树突钙放电IABSTRACTAsanoninvasivebrainmodulationmethod,deeptranscranialmagneticstimulation(dTMS)canchangetheexcitabilityoftargetregionsandtheactivityofnervoussystembyth

5、einducedsubliminalelectricfieldsgeneratedinstimulatingcoilconfigurations.Thistechniquecandecreasethebraintissuedamagecausedbytheclinicaltreatment.However,thereisinsufficientunderstandingofhowtheinducedfieldinfluencestheneuronalinformationprocessing.Soweappliedthemodelresearchmethodtocomprehensive

6、lyanalyzethespatialdistributionpropertiesofelectricfieldsandexplainedtheeffectofdendriticnonlinearcharacteristicsonthemodulationofelectricfield.Basedontheexistinghardwareplatform,weusedANSYS15.0offiniteelementanalysistoconstructmulti-coilarrayconfigurations.Todemonstratetheeffectofspatialarrangem

7、entofstimulatingcoilsonelectricfieldproperties,weselectedvariousenergizingcoilstoformdifferentcombinations.Simulationresultsshowthatthereisatradeoffbetweenfieldattenuationrateandthefocality.Comparedtotraditionalfigure-