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1直流電場(chǎng)作用下的網(wǎng)絡(luò)同步分析

把EV記作是由直流電場(chǎng)所引起的細(xì)胞膜去極化電壓。神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選取和參數(shù)設(shè)定如同交流電場(chǎng)分析中的一樣。

1.1適應(yīng)性電流對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步同步活動(dòng)的影響

我們首先研究在直流電場(chǎng)作用前，E-cells中引入的可以模擬類膽堿神經(jīng)調(diào)制作用的適應(yīng)性電流以及I-cells中的抑制性突觸連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響，結(jié)果所示。其中(a)展示了在適應(yīng)性電流(0Mg)作用前網(wǎng)絡(luò)的放電時(shí)刻，其中I-cells的同步振蕩頻率為41Hz；(b)給出了適應(yīng)性電流引入到E-cells中時(shí)(0.1Mg)之后的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)適應(yīng)性電流極大地抑制了E-cells的放電活動(dòng)，同時(shí)也擾亂了I-cells的同步活動(dòng)，其平均放電頻率也由41Hz下降到了31Hz；在(c)中展示了I-cells之間的抑制性突觸連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，在設(shè)定0IIg之后，I-cells的平均頻率下降到了30Hz，與此同時(shí)，I-cells網(wǎng)絡(luò)的去同步化對(duì)E-cells產(chǎn)生了極大地抑制性，其放電活動(dòng)幾乎停止。引入到E-cells的適應(yīng)性電流和I-cells中的抑制性突觸連接的斷裂都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的同步性和放電頻率產(chǎn)生極大地影響。如果網(wǎng)絡(luò)處在外部直流電場(chǎng)的作用下，當(dāng)上述的兩種情況出現(xiàn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)情況又該是怎樣的呢，針對(duì)這個(gè)問題，將通過以下的仿真研究來說明。(a)和(b)分別代表著E-cells和I-cells的網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)，其中上子代表網(wǎng)絡(luò)同步系數(shù)，下子代表網(wǎng)絡(luò)放電頻率。中的虛線和實(shí)線分別代表外部直流電場(chǎng)作用前后的同步系數(shù)值。對(duì)于(a)中的E-cells來說，當(dāng)EV在[-420]mV變化時(shí)，所對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)同步系數(shù)K0，低于電場(chǎng)作用前的同步系數(shù)K0.0371，一旦跨越了-42mV，同步系數(shù)迅速上升并在50EVmV時(shí)達(dá)到K1完全同步狀態(tài)，隨即又回落到；E-cells的放電頻率走勢(shì)和其同步系數(shù)類似。(b)的I-cells的變化情況和(a)中的類似，不同的直流電場(chǎng)作用后使得同步系數(shù)升高所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)區(qū)間。通過仿真結(jié)果可知，只要合理的設(shè)置電場(chǎng)參數(shù)就能使得E-cells和I-cells網(wǎng)絡(luò)都處于較高的同步狀態(tài)，同時(shí)能保持著較高的振蕩頻率，這在一定程度上來說減弱了適應(yīng)性電流對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響。本節(jié)所引入的適應(yīng)性電流是模擬類膽堿對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的調(diào)制作用，因此說直流電場(chǎng)刺激在一定程度上同樣能夠影響神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)制作用。

1.2抑制性突觸連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)同步活動(dòng)影響

外部直流電場(chǎng)作用前后，去除I-cells網(wǎng)絡(luò)中的抑制性突觸連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響如10所示。其結(jié)果同9很相似，在特定的電場(chǎng)區(qū)間內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)的同步系數(shù)K和放電頻率EIcellsf都有了顯著地提高，也就是直流電場(chǎng)在適當(dāng)?shù)貐?shù)區(qū)域內(nèi)不僅可以抵消由于抑制性連接解除所帶來的負(fù)面影響，反而會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)同步性更強(qiáng)。此結(jié)論對(duì)于那些由于抑制性突觸連接喪失所導(dǎo)致的神經(jīng)系統(tǒng)疾病來說，通過對(duì)其進(jìn)行物理性的電刺激就會(huì)在一定程度上緩解其癥狀。

2興奮性突觸連接對(duì)刺激競(jìng)爭(zhēng)

在真實(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，來自其他因素的隨機(jī)刺激時(shí)有發(fā)生，比如來自感覺信號(hào)的輸入以及來自高級(jí)指揮系統(tǒng)的指令刺激等等。針對(duì)此現(xiàn)象，我們?cè)贓-cells中選取兩個(gè)子集D和L,其中D和L子集分別包含[11-30]和[121-140]號(hào)的神經(jīng)元。通過對(duì)D和L施以額外的興奮性刺激來模擬隨機(jī)性刺激的作用。11(a)中的D子集中的神經(jīng)元所受到的電流刺激相對(duì)于8(a)中的增加了0.5，其他仿真參數(shù)保持一致，結(jié)果顯示D中的平均放電頻率雖比原來增大了一些，但是E-cells中其他神經(jīng)元的放電頻率卻因此而下降了。11(b)的仿真設(shè)定在(a)的基礎(chǔ)上，又對(duì)子集L施加0.7的額外電流刺激，這種情形下，D就被看作是一個(gè)擾亂因素，并且D中神經(jīng)元的活動(dòng)被大大地抑制了。11(c)在(b)的仿真環(huán)境下在D和L中又引入了興奮性的突觸連接，并設(shè)定興奮性連接所對(duì)應(yīng)的突觸電導(dǎo)值1EEg，其仿真結(jié)果顯示興奮性突觸連接增強(qiáng)了L對(duì)D所產(chǎn)生的抑制作用。

3結(jié)語

綜合考慮上述仿真結(jié)果，當(dāng)L受到相對(duì)于D來說更多的額外刺激時(shí)，D就會(huì)受到L的抑制。這說明對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，當(dāng)其同時(shí)受到兩個(gè)額外刺激的時(shí)候，相對(duì)較弱的刺激因素會(huì)被另外較強(qiáng)的刺激因素所抑制，這也就是所謂的刺激競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)只有D中的神經(jīng)元受到額外刺激時(shí)，E-cells其他的興奮性神經(jīng)元便會(huì)受到D的抑制作用；雖然興奮性的突觸連接可以增強(qiáng)刺激競(jìng)爭(zhēng)的效果，但是它對(duì)于I-cells網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響不是很大。在11(c)的仿真環(huán)境下12給出了電場(chǎng)作用前后E-cells中D和L內(nèi)部的興奮性突觸連接對(duì)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的影響，其中(a),(b),(c)分別給出了外電直流電場(chǎng)對(duì)D，L，I-cells網(wǎng)絡(luò)的同步系數(shù)K和放電頻率EIcellsf的影響。從(a)中可以看出外部直流電場(chǎng)在一定區(qū)域內(nèi)有效地抑制了刺激競(jìng)爭(zhēng)，并使得D的同步系數(shù)和放電頻率都得到大幅度的提升。雖然L和I-cells沒有受到來自其他方面的抑制作用，但是在電場(chǎng)的作用下，其網(wǎng)絡(luò)同步性和放電頻率在原來的基礎(chǔ)上也都可以得到改善。

作者：胡碧霞單位：北京理工大學(xué)