通道噪声对神经元新陈代谢能量的影响

摘要

本文分别研究了在阈下信号和阈上信号刺激下，离子通道噪声对神经元新陈代谢能量损耗的影响，同时研究了神经元对温度的适应性。　　 首先简单介绍了神经元基本的动力学性质和神经元内的噪声。神经元是神经系统的基本单元，动作电位是神经系统传递外界刺激并传达中枢神经系统所做出的反应的电信号。动作电位是一种定型的单元，它们在所有已研究过的神经系统中是信息交换的通用钱币。动作电位一旦发生，其幅度和时程将不由刺激的幅度和时程所决定。德国物理学家、生物学家Helmholtz认为不同神经兴奋的所有差异，仅取决于该神经相连接的器官，以及它所传递的兴奋状态。　　 神经元内有三种噪声：热噪声、通道噪声和突触噪声。本文重点研究了通道噪声的影响。　　 物理研究的一个常用方法就是利用一些简单的模型来探索各种现象背后的自然规律，第二章着重介绍了近年来最成功的几种模型。确定性的HH模型是由大量通道的平均效应得来的，是在膜面积较大的情况下的一种近似。当膜面积较小，膜上的通道数量有限时，必须考虑因通道状态的自发的转换而引起的膜电压的涨落，这时必须用随机的SHH模型来描述神经元的电特性。同时给出了描述SHH神经元系统的方法：Markov过程的占有数方法。而FHN和RH模型也是近年来人们常采用的模型。采用哪种模型应根据模型的特性和所要研究的侧重点来决定。　　 HH模型和SHH模型基于离子通道理论，所以我们采用这两种模型研究离子通道噪声对神经元新陈代谢能量损耗的影响是合适的。第三章利用Markov过程的占有数方法模拟离子通道，并采用SHH模型研究阈下信号刺激时离子通道噪声的影响。首先分析了动作电位发放率随膜面积的变化，进而得出神经元动作电位发放过程中新陈代谢的能量损耗与膜面积的关系。模拟结果显示，存在一个最优的膜面积，使得神经元以最小的能量代价来进行工作，这个最优的膜面积与实际神经元的膜面积基本一致。我们同时研究了神经元对温度的适应性，发现神经元在室温(20℃)下能够以较小的能量消耗来工作，即室温为神经元工作的最适温度。　　 第四章研究了阈上信号刺激下通道噪声对神经元新陈代谢能量的影响，并与第三章的模拟结果做了对比。研究表明，阈上信号刺激时，神经元的代谢能量损耗与膜面积近似呈线性的关系；而神经元的最适温度上升为29℃。　　 最后一章对我们的工作作了总结，并对将来的研究工作作了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章神经元及通道噪声的简介

1.1神经元简介

1.2动作电位

1.2.1静息膜电位

1.2.2动作电位

1.3噪声

第二章神经元活动的数学模型

2.1确定的HH模型

2.2随机的HH模型

2.3其它的数学模型

2.3.1 FHN模型

2.3.2 RH模型

第三章阈下信号刺激下通道噪声对神经元新陈代谢能量的影响

3.1新陈代谢的能量

3.2确定的HH模型的新陈代谢能量

3.3随机的HH模型的新陈代谢能量

3.3.1阈下信号刺激下单位时间单位膜面积的神经发放率

3.3.2阈下信号刺激下单位时间单位膜面积的新陈代谢能量

3.3.3阈下信号刺激下单位时间的新陈代谢能量随膜面积的变化

3.3.4温度对单位时间单位膜面积的新陈代谢能量的影响

第四章阈上信号对新陈代谢的影响

4.1阈上信号刺激下单位时间单位膜面积的神经发放率

4.2阈上信号刺激下单位时间单位膜面积的新陈代谢能量

4.3阈上信号刺激下单位时间的新陈代谢能量随膜面积的变化

4.4阈上信号刺激下温度对单位时间单位膜面积的新陈代谢能量的影响

第五章结论和展望

参考文献

附录 在读期间发表论文

致谢