电磁场可在大脑特定的脑组织产生交变感应电场，进而影响神经系统的放电活动。本文以感应电场作用下Morris–Lecar神经元与神经元网络为研究对象，系统地研究了神经系统在具有随机相位的正弦感应电场激励下放电模式的转迁过程及时空斑图的演化规律。
首先，研究了Morris–Lecar神经元在具有随机相位的正弦感应电场激励下放电模式的转迁行为及相干共振现象。采用时间历程图、相轨图、平均放电频率、峰峰间期及变异系数刻画神经元的放电行为。研究发现，在感应电场的作用下，Morris–Lecar神经元会产生不同模式的放电行为，包括峰放电、阈下放电、混合放电、以及随机振发放电等。随着噪声强度的变化，神经元模型的放电模式发生转迁，从峰放电及阈下放电模式转迁到混合放电模式，进而从随机振发放电模式再至随机阈下放电模式。由于神经元放电模式的转迁过程中，TISI/Tf密度呈现非单调的变化趋势，采用膜电压峰峰间期的变异系数CV进一步分析放电节律，得出在感应电场和噪声协同效应下，CV能够在适当噪声强度下达到极小值，神经元产生相干共振，并给出噪声诱导神经元产生相干共振的参数范围。
图1.TISI/Tf概率密度函数图。感应电场参数A=18 mV, f=36.55 Hz。(a)噪声强度分别为D=5×10-4, D=0.01, D=0.1. (b) 噪声强度D=0.5, 其尾部斜率为-2.498。
图2.变异系数CV随着噪声强度D的变化图，上图感应电场参数为A=18 mV, f=36.55 Hz。下图为感应电场在不同电场频率和噪声强度下，变异系数CV的二维视图，其中感应电场振幅为A=18 mV。
其次，研究了感应电场耦合下神经元网络的放电斑图及同步行为。采用时空斑图、平均场振幅及一致性系数等指标进行分析。研究发现，感应电场耦合能够诱导神经元网络产生同步振荡，而感应电场的随机相位会抑制神经元网络的放电，并使一致性系数随噪声强度表现出衰减趋势，即呈现去同步现象。
图3.神经元网络在随机相位的不同噪声强度下的放电斑图，感应电场参数为A=18 mV, f=36.50 Hz。噪声强度分别为(a) D=0, (b) D=0.01, (c) D=0.2和 (d) D=1.0。
图4.参数为A=18 mV, f=36.50Hz的感应电场激励下，随噪声强度D变化，一致性系数曲线图。感应电场的参数与图3相同。
本文采用基于感应电场对神经元膜极化电压的扰动模型研究具有随机相位的感应电场对神经系统的效应，由于电磁激励对膜电位影响机制的不同，有待改进或重建神经系统电磁效应模型，并采用不同类别或不同神经元模型结构等对神经元网络中的同步或共振现象研究。在此基础上，进一步研究电流激励、电磁感应及随机因素与网络耦合在神经信息编码和传输中的联合作用机制，此外，有望深入探索发展控制神经活动方法，为电磁场治疗技术提供相应理论基础，进一步指导临床治疗，提供有效的治疗方案。
相关研究成果发表于Science China Technological Sciences。
(Du Lin; CaoZilu; Lei Youming; Deng Zichen, Electrical activities of neural systems exposedto sinusoidal induced electric field with random phase[J]. Science ChinaTechnological Sciences.)
原文链接：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCTS/doi/10.1007/s11431-017-9309-9?slug=fulltext
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