【摘 要】
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目前主流的生物神经计算以霍奇金和赫胥黎在1952年提出的电学模型为基础,其核心是由离子通道控制的离子被动跨膜转运电流.他们把细胞膜和离子通道当做电学元件处理,这一观点也被后来的电生理研究继承.然而,关于离子通道进化历史的研究表明,一些神经元离子通道的出现早于神经元.由此可见,要想深化我们对神经元活动的理解,就必须建立适用于其他多种细胞的离子通道模型.近几十年来,随着电生理实验的范围的扩大,从神经到
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目前主流的生物神经计算以霍奇金和赫胥黎在1952年提出的电学模型为基础,其核心是由离子通道控制的离子被动跨膜转运电流.他们把细胞膜和离子通道当做电学元件处理,这一观点也被后来的电生理研究继承.然而,关于离子通道进化历史的研究表明,一些神经元离子通道的出现早于神经元.由此可见,要想深化我们对神经元活动的理解,就必须建立适用于其他多种细胞的离子通道模型.近几十年来,随着电生理实验的范围的扩大,从神经到肌肉,从动物到植物,从后生动物到原生动物,已经有大量的离子通道被发现.在这些新发现的离子通道中,有些性质过于复杂,无法用现有的模型描述.因此,本研究提出了一种估计电场作用下离子分布的简便方法,并在此基础上建立了依赖于离子浓度的具有一般性的离子被动跨膜转运模型.该模型符合目前人们对离子通道生理性质的一般认识,并且能够解释生理学实验中的许多复杂现象.为验证模型的有效性,作者针对典型的细胞生理现象设计了一系列数学实验.数值模拟结果表明,不论是对植物细胞、卵母细胞、心肌细胞,还是神经细胞上的离子通道,该模型都表现出良好的适用性.除此以外,该模型还适用于非连接质膜上的半通道.一般认为,三个基因家族（connexins、innexins和pannexins）进化形成了半通道.一个细胞的半通道与相邻细胞相应的半通道对接形成间隙连接通道.然而迄今为止,还缺乏详细描述这一结构的数学模型.因此,在被动跨膜离子转运模型的基础上,作者建立了描述半通道对接的间隙连接通道模型.作者研究了由上述三个家族蛋白组成的同型和异型间隙连接,并首次较全面地实现了有关电生理实验的数值模拟.根据数值结果和对模型参数的分析,作者讨论了半通道和间隙连接的生理机制,包括半通道的离子阻塞、间隙连接的电压门控性质等.众所周知,间隙连接介导允许离子流动的电突触传递,是神经元间通信的一种基本形式.对此,本文的模型同样也成功模拟了电突触信息传输的不对称和延迟现象.
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