交流外电场下映射神经元放电节律的分析

神经元不同的放电节律承载着不同的刺激信息。文章基于神经元映射模型,研究低频交流电场对神经元放电节律的影响。在外部刺激下映射模型表现出丰富的放电模式,包括周期簇放电、周期峰放电、交替放电和混沌放电。神经元对刺激频率和振幅的变化极为敏感,随着频率的增大,放电节律表现出从簇放电到峰放电和混沌放电的反向加周期分岔序列;在周期节律转迁过程中存在一种新的交替节律,其放电序列为两种周期放电模式的交替,峰峰间期序列具有整数倍特征。外电场的频率影响细胞内、外离子振荡周期,导致神经元放电与刺激信号同步,对放电节律的影响更为明显。研究结果揭示了交流外电场对神经元放电节律的作用规律,有助于探寻外电场对生物神经系统兴奋性的影响和神经系统疾病的致病机理。     

神经元信息编码的代谢消耗：动作电位与能量效率

人脑是一个高效、可靠的信息处理系统,它主导着个体的认知、情感、意识与行为,这些功能的实现需要不断地消耗代谢能量.大脑的能量需求主要被神经元信息编码所消耗,相应的亚细胞过程包括产生和传导动作电位、维持静息电位以及突触传递.神经元编码信息的主要载体是动作电位序列,它的产生与传导贡献了大脑的大部分代谢消耗.动作电位的能量消耗受离子通道的生物物理特性控制.生物物理特性的细胞特异性和空间异质性使得动作电位对代谢能量的利用效率呈现高度可变性,它为理解神经元代谢消耗的规律、起因与结果带来了挑战.本文首先介绍参与神经元编码的亚细胞过程及它们在大脑和小脑皮层中的代谢消耗,然后详细梳理近年来关于动作电位代谢消耗的研究成果,重点讨论影响其能量效率的生物物理因素和放电形状特性,并归纳总结放电消耗的特点,最后对未来神经元编码的代谢消耗研究进行展望.     

神经元放电阈值的可变性及其意义

神经元能够将不同时空模式的突触输入转化为时序精确的动作电位输出，这种灵活、可靠的信息编码方式是神经集群在动态环境或特定任务下产生所需活动模式的重要基础。动作电位的产生遵循全或无规律，只有当细胞膜电压达到放电阈值时，神经元才产生动作电位。放电阈值在细胞内和细胞间具有高度可变性，具体动态依赖于刺激输入和放电历史。特别是，放电阈值对动作电位起始前的膜电压变化十分敏感，这种状态依赖性产生的生物物理根源包括Na⁺失活和K⁺激活。在绝大多数神经元中，动作电位的触发位置是轴突起始端，这个位置处的阈值可变性是决定神经元对时空输入转化规律的关键因素。但是，电生理实验中动作电位的记录位置却通常是胞体或近端树突，此处的阈值可变性高于轴突起始端，而其产生的重要根源是轴突动作电位的反向传播。基于胞体测量的相关研究显示，放电阈值动态能够增强神经元的时间编码、特征选择、增益调控和同时侦测能力。本文首先介绍放电阈值的概念及量化方法，然后详细梳理近年来国内外关于放电阈值可变性及产生根源的研究进展，在此基础上归纳总结放电阈值可变性对神经元编码的重要性，最后对未来放电阈值的研究方向进行展望。     

千频交流电刺激在外周神经传导阻断中的作用

感觉、运动或自主神经系统的异常病理活动与疼痛和痉挛等多种神经机能障碍有关。千频交流电（kilohertz frequency alternating current，KHFAC）刺激是一种阻断异常病理活动在外周神经内传导的有效方法，它在缓解相关神经机能障碍方面具有临床应用潜力。KHFAC产生的神经传导阻断受千频信号波形和参数、阻断电极设置和位置以及神经纤维类型和直径等因素影响，具有快速性、可控性、可逆性、局部作用和副作用小的特点。但是，在产生完全传导阻断前，KHFAC首先在靶向神经上激活一簇高频初始放电，这种初始响应可能导致肌肉抽搐或疼痛感。同时，在撤去KHFAC后处于阻断状态的靶向神经需要经历一段时间才能恢复正常传导能力，这是该技术导致的后续效应。目前，关于KHFAC阻断神经传导的生物物理机制假说包括千频信号诱发K⁺通道激活和Na⁺通道失活。本文首先介绍了KHFAC技术的电生理实验研究方法和计算模型仿真方法，然后综述目前关于KHFAC作用下神经传导阻断的研究进展，重点论述初始响应特性及消除方法、传导阻断的后续效应、刺激波形和参数的影响、电极设置与位置的影响以及该技术潜在的临床应用，同时归纳KHFAC阻断神经传导的生物物理机制，最后对该技术未来的相关研究进行展望。