阈下电场调节神经元计算的机制

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电场刺激作为脑调控手段之一,被广泛用于神经精神疾病的临床治疗以及脑科学研究。实验表明阈下电场通过调节神经元放电时刻改变神经元网络的集群活动,模型研究从起始动力学机制角度解释了阈下电场影响。树突作为神经元的接收器和处理器整合并传递信息至胞体,在神经元活动中有重要的作用。但阈下电场如何通过调节树突非线性改变神经计算特性及神经计算功能的规律尚不十分清楚。本文从电场极化效应以及树突亚线性整合的角度,阐述了阈下电场调节神经元计算的机制。树突形态以及具有分布特性的离子通过影响树突被动特性以及神经元阈下活动影响树突亚线性积分。因此基于简化模型研究了无电场时树突主动特性(h电流)及被动特性(树突直径、长度、弯曲角度以及突触输入位置及分布)、胞体主动特性(M电流)等因素对神经元亚线性积分的影响,并用复杂神经元模型对结果进行验证。研究发现除了树突弯曲角度外,树突被动特性以及主动特性通过影响信号的传输过程调节树突亚线性积分而胞体主动特性通过影响神经元输出调节树突亚线性积分。树突形态与电场调节密切相关,且电场可以调节离子电流的运动。为了解电场对树突亚线性积分的影响,基于上述结果探讨了树突主动、被动特性以及胞体主动特性变化时,阈下电场对树突亚线性积分的调节作用。结果发现在平行于树突-胞体的正向电场中,电场在树突末端的超极化效应会弱化上述因素在树突亚线性方面的调节效果而负向电场在树突末端的去极化会增强树突亚线性计算的能力,且调节效果与场强相关。特别地改变树突弯曲角度,电场对树突亚线性积分产生与电场方向相关的调节作用。这表明在电场对神经元计算调节中树突亚线性积分有重要贡献。基于电场对树突亚线性积分的调节,为深入研究树突亚线性积分在电场对神经元计算功能方面调节机制的贡献,建立了量化电场场效应的二进制模型并结合特征捆绑问题,利用二进制模型从树突亚线性积分角度阐述了电场在神经元计算功能方面的调节机制以及电场对功能紊乱神经元的调节功能。结果发现正向电场通过弱化亚线性积分促进神经元执行特征捆绑问题的能力,而负向电场通过强化树突亚线性积分而抑制神经元此能力,且功能紊乱神经元可以通过正向电场调节恢复其计算功能。本文研究结果表明树突非线性积分在电场效应方面的重要性,有助于理解电场调节神经元机制,并为无创式脑调制技术发展以及脑神经科学进步提供了理论基础。
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