【摘 要】
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经颅磁声电刺激(Transcranial magneto-acousto-electrical stimulation,TMAES)作为一种新型无创神经调控手段,与脑深部刺激,经颅磁刺激,经颅超声刺激等神经调控手段相比,具有空间分辨率高,精确度高等优点。开展神经元模型方面的研究有助于深入理解经颅磁声电刺激过程中神经系统内信息处理的潜在机制,具有重要研究意义和应用价值。本文基于改进的HR(Hindm
【基金项目】
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国家自然科学基金(5187071185); 国家自然科学基金面上项目——基于磁声电效应的经颅聚焦刺激方法研究(编号:51877069,起止时间:2019.01-2022.12);
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经颅磁声电刺激(Transcranial magneto-acousto-electrical stimulation,TMAES)作为一种新型无创神经调控手段,与脑深部刺激,经颅磁刺激,经颅超声刺激等神经调控手段相比,具有空间分辨率高,精确度高等优点。开展神经元模型方面的研究有助于深入理解经颅磁声电刺激过程中神经系统内信息处理的潜在机制,具有重要研究意义和应用价值。本文基于改进的HR(Hindmarsh-Rose)模型,通过理论分析、数值仿真和实验验证相结合的方法,开展磁声电刺激对神经元作用效应的研究,主要研究内容如下:1、构建磁声电刺激下改进的HR模型。首先说明神经元基本知识和磁声电刺激原理,计算超声穿过颅骨产生的热效应;考虑细胞膜的粘弹性,同时引入电场变量对HR模型进行改进,并结合超声机械电效应,深入分析磁声电刺激对神经元放电活动的调控作用。本文不同参数TMAES下单个神经元HR模型放电结果表明,可以通过增加TMAES强度和占空比,提高神经元的兴奋性。2、建立经颅磁声电刺激耦合神经元模型。增加环境变量,描述电场耦合下电突触和化学突触,使用数值仿真研究磁声电刺激对相互耦合神经元放电活动的影响。通过改变刺激强度、调制频率和占空比,观察神经元放电行为的变化,探究磁声电刺激对电、化学突触耦合神经元放电活动影响。结果表明:在一定参数范围内,可以通过增大调制频率、占空比和刺激强度,提高耦合神经元的放电频率,增强神经元的兴奋性,减少化学突触后神经元的响应时间,加快信息传递速率,且神经元放电频率对刺激参数具有选择性。3、搭建TMAES系统,开展大鼠脑皮层磁声电刺激实验。对大鼠前额叶皮层(Prefrontal Cortex,PFC)进行植入微电极阵列手术,记录大鼠执行T迷宫任务下的神经电信号,采集大鼠磁声电刺激下局部场电位(Local Field Potential,LFP)信号,采用时频分析的方法对大鼠PFC局部场电位信号进行研究,验证TMAES对脑神经电活动的调控作用。结果表明大鼠T迷宫任务选择阶段PFC的LFP信号功率谱密度集中在theta频段和gamma频段;超声频率690 kHz、调制频率25-100 Hz、占空比10-70%、磁感应强度为0.200-2.922 kGs时,大鼠PFC局部场电位信号的theta频段功率谱密度均大于对照组,gamma频段功率谱密度对刺激参数具有选择性。实验结果提示经颅磁声电刺激通过提高局部场电位theta频段的能量,影响信息传递,加快记忆形成的进程。本文研究结果有助于深入理解经颅磁声电刺激效应的内在机理,以及神经电活动的信息处理的机制,对于推动经颅磁声电刺激的进一步发展具有重要意义。
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