经颅磁刺激感应外电场作用下最小神经元模型放电起始动态机理分析.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61，No．11(2012)118701经颅磁刺激感应外电场作用下最小神经元模型放电起始动态机理分析米金淇涛)王江)f伊国胜)李会艳2)邓斌)魏熙乐)车艳)1)(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)2)(天津职业技术师范大学电气与自动化工程学院，天津300222)(2011年8月29日收到；2011年1O月1日收到修改稿)经颅磁刺激(TMS)是一种采用电磁线圈在大脑指定区域产生磁场的刺激方式．TMS的治疗原理是通过电磁感应产生作用于神经元的外加电场进而影响神经元编码．然而目前TM

2、S感应外电场改变神经元编码的内在机理尚不清楚．研究表明，神经元编码由神经元的放电起始动态机理决定．本文建立了TMS感应外电场作用下的最小神经元模型，采用相平面分析和分岔分析方法，研究了外电场作用下神经元放电起始动态的动力学机理，并从阈下电位的不同动力学特性离子电流竞争角度揭示了TMS感应外电场作用下神经元放电起始动态的生理学机理．关键词：经颅磁刺激，放电起始动态机理，最小神经元模型，阈下电流竞争PACS：87．50．C一，87．85．dm，87．19．1d中的关键问题[12-15]．神经元通过产生具有不同1引言放电模式的动作电位序列

3、对由树突输入的信息进行编码[~6-19]．根据神经元的放电频率与．经颅磁刺激(TMS)是一种无痛、无创的绿色刺激电流强度ti的关系曲线，Hodgkin等【2o]治疗方法，已经在临床精神病、神经疾病及康复领和Izhikevich[21】将神经元分为三类：I类神经元的域获得认可[1-3]．不同于传统的被动记录神经电放电模式具有连续的，ot—i曲线；II类神经元活动的方法，例如脑电图(EEG)、功能核磁共振成的放电模式具有不连续的_厂ot一ti曲线；III类神像(fMRI)和脑磁图(MEG)等，TMS是一种主动的经元放电模式的_厂o一i曲

4、线还未定义．神经刺激方法[4-6]．TMS线圈放置在特定脑功能从非线性动力学角度看，不同的放电模式的区的颅骨上方，当变化的电流穿过线圈时产生一个产生原因是神经元通过不同的放电起始动态机理电磁场[，引．根据法拉第定律，电磁场在大脑中可产生放电[22-25]．在Hodgkin定义的三类神经元以感应出作用于大脑皮层神经元的外电场[9]．TMS中，I类神经元的放电起始动态机理是不变环上的通过在大脑皮层细胞外感应的电场影响神经元的鞍结分岔(saddlenodeoninvariantcirclebifurcation，放电模式进而改变神经元编码

5、，从而达到治疗疾病SNIC)，II类神经元的放电起始动态机理是亚临的目的I1o，11]．界Hopf分岔(sub．criticalhopfbifurcation)，III类神虽然TMS已经广泛地应用于神经疾病临床经元的放电起始动态机理是准分界线穿越fquasi—治疗和大脑认知科学研究中，然而TMS影响神经separatrixcrossing，QSC)[。一引．目前已有研究表明，元编码从而治疗神经疾病的内在机理目前尚不神经元不同放电模式产生与阈下电位处具有不同清楚[3-11】．理解大脑皮层神经元对外界信息的动力学特性的离子电流之间相互作

6、用有关[29—3引．编码方式，即神经编码，是大脑认知和情感研究阈下离子电流竞争的不同结果决定神经元以不}国家自然科学基金(批准号：61072012，61172009)和国家自然科学基金青年科学基金(批准号：50907044，60901035)资助的课题十E—mail：jiangwang@tju．edu．ca④2012中国物理学会ChinesePhysicalSociety^￡tp：／／wuli~b．hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．61．No．11(2012)118701同放电起始动态机理产生放电，进而产生了

7、不同叫。。()=0．5IL1+tanhf＼—1I，的放电模式[34-38】．然而目前还未有研究涉及外7w／j／1厂一、电场作用下神经元的放电起始动态机理，并且外()：1／cosh(、y)，(1)叫／电场影响神经元兴奋性的生理学基础还不清楚．其中代表神经元膜电压，C为神经元膜电容，为了解决这一问题，本文分别从动力学和生理学角W代表慢电流l。的激活变量，m代表快电流t度研究TMS感应外电场作用下神经元的放电起始的激活变量，表示包含具有快动力学的电流的动态机理，建立神经编码与神经元生理学基础之间集合，l。表示包含具有慢动力学的电流的集合，

8、的桥梁，以提供一种对TMS感应外电场影响神经^。k表示其他离子电流的集合，Ji代表刺激电编码机理的解释．流，，分别为W，m的时间常数，9fat，l。、v，由于神经元能够产生丰富多样的放电模式，因gl。k为对应离子电流的电导，Efa。t