极低频磁场发生器的开发及其在神经细胞电生理特性研究中的应用

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1、华中科技大学博士学位论文摘要*生物电活动是生物体的一种重要的生命活动。神经元放电和膜片钳离子通道是电生理研究的两个重要领域。生物电活动既然是一种电，就必然受到外界电磁活动一定程度上的影响。目前采用磁场刺激神经细胞和肿瘤细胞是生物磁研究的两个重要课题，适当的磁场刺激对神经系统疾病起到一定的治疗作用，如帕金森症、神经性疼痛、癫痫、抑郁症、精神分裂症等，海马则是学习和记忆的重要脑区，特别是帕金森症的重要病灶区域。因此本文采用磁场刺激海马细胞，通过神经放电信号和钾离子通道信号分析研究其电生理特性的变化。该研究具有重要的理论意义与实际价值。本文首先设计了一款电生理磁刺激实验通用的极

2、低频磁场发生器，该仪器能产生多种波形、频率、强度且空间分布均匀的磁场。然后通过神经元放电和膜片钳离子通道两种方法对大鼠海马细胞在极低频磁场作用前后的放电特性和离子通道特性分别进行了研究。最后分析了两种相互关联的研究方法下的结果。本研究工作主要获得了如下研究成果：(1)研制了一台适于生物磁刺激的多波形、多参数的磁场发生器。该仪器的特点是：a)强度从几个毫特斯拉(mT)提高到100mT；b)通过硬件补偿和软件修正的方案，克服了通常随波形频率提高，磁场强度急剧递减的问题。产生从1Hz到500Hz，磁场强度均衡的磁场；c)针对三角波磁场能够产生恒定的感应电场的特征，也开发了一种三

3、角波形的磁场发生器。(2)构造了一种适用于电生理信号的特定的小波降噪算法。在采用小波降噪中，针对电生理信号的两个特点：符合全或无定律；具有一定的不应期。采用方波haar函数作为母函数，构造了一种独特的小波降噪方法。通过检验，该方法较传统均值滤波效果有所提高。(3)提出了一种验证离子单通道降噪算法优劣的方法。针对离子单通道全或无的特点，通过原始信号，构造了一种标准波形来衡量降噪效果。*本论文工作由国家自然科学基金项目(No:30470413)资助。I华中科技大学博士学位论文(4)海马细胞在极低频磁场刺激作用下的放电信号更加具有节律性。通过自回归(Autoregressive

4、,AR)模型谱分析表明，磁场刺激时的海马细胞放电信号的谱线更加光滑，说明高频率成分减少了，表明信号具有更好的节律性。(5)海马细胞在磁场刺激作用下其电生理活动更加活跃。采用AR模型谱分析方法研究表明，极低频磁场刺激海马细胞后，其AR频谱发生后移，电活动的频度增高了，表明电生理活动更加频繁。采用随机过程和统计学分析方法研究表明，极低频磁场刺激海马细胞时其发放动作电位的次数增加，峰峰间期(InterSpikeInterval,ISI)减小，钾离子通道的开放时间有所增加，静息时间有减小的趋势。这与有关文献报道的结论是一致的。本文采用的两种实验研究都得出特定磁场能够促进电生理活动

5、的特性。从生理+学分析，Na离子通道在神经元放电中承担主要角色，但是钾离子通道开放也会更加++活跃，于是我们似乎可以得出如下推论：特定的磁场刺激对Na-K泵的活跃起到了+++一定的促进作用，虽然Na-K泵的K离子流动的方向与离子通道相反。这与文献报++道磁场直接作用于Na-K泵并提高生物膜活性是相一致的，从而实验的角度印证磁场对神经系统疾病的治疗作用。关键字：神经元;海马;膜片钳;离子通道;磁场;随机过程;小波变换;自回归(AR)模型II华中科技大学博士学位论文Abstract*Electrophysiologicalactivityisanimportantactivi

6、tyoforganisms.Neuronssparkandionchannelinpatchclamparetwoimportantareas.Sinceelectrophysiologicalactivityiselectricity;itwillbesomeaffectedbyexternalelectromagneticactivity.Usingelectromagneticfieldstostimulatenervecellsandtumorcellsaretwoimportantsubjectsinbioelectromagneticsresearchstud

7、ies.Theappropriatemagneticstimulationondiseasesofthenervoussystemplaysacertainroleintreatment,suchasParkinson'sdisease,neuropathicpain,epilepsy,depression,schizophrenia,etc.Hippocampalisanimportantregioninbrainforlearningandmemorization;itisveryimportantlesionsregio