《Engineering Science and Technology, an International Journal》：Complex latency dynamics of biological neuron model under effect of electromagnetic induction
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在神經元信息編碼中，第一峰電位潛伏期（first spike latency）至關重要。為探究電磁感應對此的影響，研究人員以 Hodgkin–Huxley（H–H）神經元為模型展開研究。結果發現電磁感應可降低第一峰電位潛伏期，調節其功能，這對理解神經編碼機制意義重大。
在神秘的大腦世界里，神經元如同微小卻強大的信息處理器，它們通過復雜的電化學活動傳遞著各種信息。神經元編碼信息的方式一直是神經科學領域的研究熱點，其中一種重要的編碼策略是基于動作電位（神經元產生的電信號）的時間特征，尤其是第一峰電位潛伏期，它就像是神經元對外部刺激的 “第一反應時間”，承載著大量關于刺激的關鍵信息，在聽覺、視覺等多種感覺系統中發揮著不可或缺的作用。
然而，神經元所處的環境并非 “風平浪靜”。大腦中存在著各種隨機波動，其中離子通道的隨機活動產生的噪聲對神經元的放電動態有著顯著影響。這種噪聲會導致第一峰電位潛伏期出現變化，甚至引發噪聲延遲衰減（NDD）現象，使得神經元傳遞信息的準確性和效率受到挑戰。與此同時，以往的神經元模型在研究時往往忽略了一個重要因素 —— 細胞內帶電離子運動所產生的時變電磁場電流。而實驗研究表明，這個電流對神經元群體的正常功能有著重要影響，它參與了神經元電活動的激活和恢復過程。因此，探究電磁感應如何影響神經元的第一峰電位潛伏期，以及它能否調節噪聲帶來的不良影響，成為了神經科學領域亟待解決的重要問題。
為了深入了解這些現象背后的機制，研究人員開展了一項關于電磁感應影響 Hodgkin–Huxley（H–H）神經元峰電位潛伏期動態的研究。該研究成果發表在《Engineering Science and Technology, an International Journal》上。
研究人員采用了多種技術方法來進行此項研究。首先，構建了隨機 Hodgkin–Huxley（H–H）神經元模型，該模型考慮了離子通道噪聲動力學以及電磁感應的影響。通過設定一系列參數，如膜電容C、最大通道電導率（gNa、gK、gL ）、平衡電位（ENa、EK、EL ）等，來模擬神經元的真實行為。然后，利用 Fox 算法對離子門隨機活動導致的概率函數變化進行建模，并通過設置白高斯噪聲來描述鈉和鉀通道的隨機性。此外，為了研究電磁感應的作用，將總輸入電流設定為包含外部正弦信號和電磁場產生的電流，并通過求解相關微分方程來模擬神經元的膜電位變化。最后，通過計算第一峰電位潛伏期和時間抖動（temporal jitter，用于衡量潛伏期的離散程度）等指標，來分析神經元的放電行為，并且對結果進行多次試驗平均以確保統計準確性。
在研究結果部分：
- 離子通道噪聲對神經元放電行為的影響：研究發現，離子通道噪聲顯著影響神經元的放電行為。在確定性情況下（無通道噪聲），H–H 神經元僅在特定頻率范圍內（16 - 149Hz）對正弦輸入產生放電反應。而引入離子通道噪聲后，神經元在整個頻率范圍內都可能放電。并且，隨著膜面積減�。ㄔ肼晱姸仍黾樱�，平均首次放電潛伏期在幾乎所有頻率范圍內都縮短；但在確定性神經元的超閾值頻率范圍之外，隨著噪聲強度降低（膜面積增大），平均響應時間增加。在超閾值頻率范圍內，噪聲對第一峰電位潛伏期的影響呈現復雜的變化。在較低和較高的超閾值頻率邊界，噪聲會導致明顯的 NDD 行為，而在中間頻率，神經元的放電相對更穩定，NDD 效應較弱。
- 電磁感應對神經元放電行為的影響：電磁感應電流能夠顯著調節神經元的放電行為。它可以減少隨機神經元在低通道噪聲時出現的延遲和周期性偏差，使膜動力學更接近確定性狀態，從而降低潛伏期。在亞閾值頻率區域，電磁感應減小了不同頻率之間的差異，使得神經元更容易放電；在超閾值頻率區域，它也有助于神經元獲得更規則和有序的放電狀態，減少混沌放電行為。此外，電磁感應還能削弱 NDD 效應，隨著電磁感應電流強度增加，神經元的放電行為更加穩定，首次放電潛伏期進一步降低。
- 信號頻率和初始相位對神經元放電行為的影響：研究還探討了信號頻率和初始相位對神經元放電行為的影響。在亞閾值頻率區域，隨著初始相位增加，平均潛伏期先減小后恢復，在π/2 相位時達到最小值；電磁感應電流強度增加會使潛伏期進一步降低，且最小值出現的范圍更寬。在超閾值頻率區域，隨著初始相位變化，第一峰電位潛伏期先減小后增加，電磁感應電流強度增加雖也會降低潛伏期，但效果相對亞閾值頻率區域更有限。
在結論和討論部分，該研究表明第一峰電位潛伏期作為一種可靠的神經編碼機制，在感覺神經系統中承載著重要信息。離子通道噪聲雖然會干擾神經元的放電行為，導致 NDD 現象，但電磁感應能夠調節這種干擾，促進神經元的放電，提供更穩定的放電時間，對恢復或調整被破壞的感知和信息處理機制具有重要意義。這意味著，不可避免且普遍存在的電磁場在單細胞水平上有助于神經系統的正常功能。盡管該研究在復雜大腦活動的關鍵要素方面存在一定局限性，但為后續研究在細胞內外動力學、突觸類型和連接拓撲結構等更廣泛的視角下進一步探索神經系統的奧秘奠定了基礎，有望推動神經科學領域對神經元信息編碼和處理機制的深入理解，為相關神經系統疾病的研究和治療提供新的理論依據和思路 。
