经颅磁刺激对老年大鼠工作记忆相关跨脑区网络协同作用的影响

经颅磁刺激(TMS)因其可以非侵入性地探测和调制大脑皮层兴奋性和功能,已被广泛地应用于改善大脑认知功能等临床神经调控领域。工作记忆的功能实现需要多个脑区的同步活动,该文将行为学与电生理学相结合,通过建立跨脑区的因果网络连接,从记忆相关脑区间协同作用的角度探究不同模式的TMS对大脑认知功能的调控机制。首先对老年威斯塔大鼠分别实施重复经颅磁刺激(rTMS)及间歇性θ节律刺激(iTBS),并设置空白对照组,通过在体多通道微电极阵列采集大鼠工作记忆任务中的局部场电位信号(LFPs);之后基于定向传递函数构建LFPs脑因果网络;最后通过对比行为学结果差异、各脑区因果网络参数等,探索不同模式TMS对老年大鼠工作记忆行为学及脑区之间信息协同作用的影响规律。结果表明,rTMS组和iTBS组大鼠执行正确工作记忆任务的平均天数减少,平均正确率高于空白对照组。经过刺激后,rTMS组和iTBS组前额叶和海马双向网络连接明显增强,信息流强度和因果流向性得到显著提升(P<0.05)。因此,rTMS和iTBS模式均能促进老年大鼠海马和前额叶脑区间的信息交流,从而使老年大鼠的工作记忆能力得到改善。

磁耦合谐振式无线电能传输磁场对海马齿状回区神经元K^(+)通道的影响

目的磁耦合谐振式无线电能传输(magnetically-coupled resonant wireless power transfer,MCR-WPT)具有传输距离较大、传输效率高、穿透性好等优点,为人们生活带来便利的同时其引起的生物电磁效应安全问题备受人们关注。本文通过研究MCR-WPT电磁环境对小鼠海马齿状回(DG)区神经元K^(+)通道特性的影响,为无线电能传输(WPT)技术的发展及其合理开发应用提供实验依据。方法每天对小鼠不间断辐射5 h,持续30 d,对比分析对照组和磁场暴露5 d、15 d、30 d组小鼠的学习记忆能力、海马DG区神经元的瞬时外向K^(+)通道电流(IA)和延迟整流K^(+)通道电流(IK)的变化。结果磁场暴露组瞬时外向K^(+)通道的激活过程受到抑制、延迟整流K^(+)通道的激活特性向去极化方向移动,减少K^(+)的外流,增强了神经兴奋性,但磁场暴露组小鼠行为上无显著性变化。结论长期处于MCR-WPT电磁环境会改变K^(+)通道的电流-电压(I-V)特性和动力学特性,抑制IA和IK,改变神经元动作电位的发放频率,但这些变化并没有引起小鼠学习记忆能力的下降以及认知功能障碍。

电导率分布变化影响EIT正问题的不确定性量化方法

在电阻抗成像技术(EIT)中,介质电导率分布的不确定性会对正问题的计算结果产生影响,进而影响图像重构的准确性,因而,研究电导率变化对电阻抗成像不确定性的影响具有重要的意义.本文以4层同心圆头模型作为研究对象,假定4层的电导率分布不是固定数值,分别利用蒙特卡洛法(MCS)和非干涉混沌多项式展开(NIPCE)法对电阻抗成像正问题结果进行不确定性分析,以获得边界电压的概率分布,并对两种方法计算结果的精度和效率进行了比较.当采用MCS方法时,假定电导率分布服从均匀分布或正态分布,当样本数达到1×104次时达到收敛,获得了足够的精度,边界电压的概率分布曲线趋于正态分布.采用NIPCE方法,假定电导率分布服从均匀分布,获得的概率分布函数曲线随着多项式展开阶数的增大而逐渐接近MCS方法获得概率分布曲线,边界电压的均值和标准差也逐渐接近MCS方法获得的均值与标准差,精度明显改善.当展开阶数为4阶时,计算结果与MCS方法非常接近.由研究结果可以看出,MCS方法和NIPCE方法均可得到精度较高的边界电压概率分布,MCS方法具有更高的精确性,但计算量过大,而NIPCE方法不仅具有较高的计算精度,同时具有很高的计算效率.

不同重连概率的小世界脉冲神经网络抗扰功能研究

现今各种电磁干扰对电子系统造成的不良影响越来越严重,传统防护方式的局限性日益凸显。电磁仿生学由此被提出,目的是通过借鉴生物体的自适应抗扰的优良特性,以期建立新的防护模式。构建了以Izhikevich神经元模型为节点,兴奋性和抑制性突触可塑性模型共同调节基于小世界网络拓扑的小世界脉冲神经网络;基于复杂网络理论对比分析了不同重连概率的小世界网络的拓扑特性;对比分析了不同重连概率的小世界脉冲神经网络在高斯白噪声刺激下的抗扰功能。实验结果表明:小世界网络的平均路径长度和全局效率值受重连概率的影响较小,平均聚类系数和小世界属性受重连概率的影响较大;构建的不同重连概率的脉冲神经网络均具有一定抗扰功能且高聚类系数和低平均路径长度显著的小世界脉冲神经网络抗扰功能最优。

经颅磁声电刺激中感应电场聚焦度优化方法的探究

经颅磁声电刺激是一种利用磁声电耦合效应进行神经调控的无创脑调控技术。其神经调控效果取决于超声换能器与磁场在神经组织中诱发的感应电场的聚焦度。本文对经颅磁声电刺激中的感应电场进行仿真,并对阵列换能器各阵元幅值进行了序列加权以提高焦点处轴向、径向分布的感应电场聚焦度。结果表明:基于三角窗的阵元序列加权能有效提高径向分布的电场梯度横向分辨率。基于布莱克曼窗的阵元序列加权能有效抑制轴向分布的旁瓣伪影,总体优化效果强于其他窗序列。本文分析的基于不同窗函数序列加权对聚焦电场性能的影响,为将来提高感应电场聚焦度、推动神经调控发展提供了参考与帮助。

小功率WPT电磁环境对海马CA1区神经元兴奋性的影响

该研究旨在探究小功率无线电能传输(wireless power transmission,WPT)系统对小鼠海马CA1区神经元兴奋性的影响。将小鼠分为对照组和辐射组(2周组、4周组、6周组),通过莫里斯水迷宫实验、光纤光度实验、HE染色实验、膜片钳实验观察小鼠工作记忆能力、Ca^(2+)信号强度、海马锥体细胞数量、动作电位的变化以及瞬时外向K^(+)通道电流(I_(A))和延迟整流K^(+)通道电流(I_(K))的变化。莫里斯水迷宫实验结果显示,小功率WPT电磁环境不会对小鼠的工作记忆能力产生影响;光纤光度实验以及HE染色实验显示,小功率WPT电磁环境可能促进了海马CA1区神经元集群的放电活动,导致了荧光信号强度的增加。这表明电磁环境对Ca^(2+)浓度的调节可能增加了海马CA1区神经元放电活动次数,增强了海马CA1区神经元的兴奋性。随着辐射时间的增加,荧光信号的峰值逐渐下降,表明小鼠海马锥体细胞适应了小功率WPT电磁环境;小功率WPT电磁环境提高了小鼠海马CA1区的神经元的静息膜电位,缩短了动作电位的半波宽,降低了动作电位阈值,加快了海马CA1区的神经元动作电位的发放频率,促进了海马CA1区的神经元动作电位的发放,提高了海马CA1区的神经元的兴奋性;小功率WPT电磁环境会令细胞膜上的瞬时外向钾通道的激活过程受到抑制、延迟整流钾通道的激活特性向去极化方向移动,减少细胞内K^(+)的外流,进而增强海马CA1区神经元兴奋性。小功率WPT电磁环境可促进海马锥体细胞的放电活动,抑制I_(A)与I_(K)的激活过程,I_(A)通道的激活曲线向去极化方向偏移,从而增强神经元兴奋性。