探解外部电场对网络的作用

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1直流电场作用下的网络同步分析

把EV记作是由直流电场所引起的细胞膜去极化电压。神经元及其网络结构的选取和参数设定如同交流电场分析中的一样。

1.1适应性电流对网络同步同步活动的影响

我们首先研究在直流电场作用前，E-cells中引入的可以模拟类胆碱神经调制作用的适应性电流以及I-cells中的抑制性突触连接对网络活动的影响，结果所示。其中(a)展示了在适应性电流(0Mg)作用前网络的放电时刻，其中I-cells的同步振荡频率为41Hz；(b)给出了适应性电流引入到E-cells中时(0.1Mg)之后的网络响应，可以发现适应性电流极大地抑制了E-cells的放电活动，同时也扰乱了I-cells的同步活动，其平均放电频率也由41Hz下降到了31Hz；在(c)中展示了I-cells之间的抑制性突触连接对网络的影响，在设定0IIg之后，I-cells的平均频率下降到了30Hz，与此同时，I-cells网络的去同步化对E-cells产生了极大地抑制性，其放电活动几乎停止。引入到E-cells的适应性电流和I-cells中的抑制性突触连接的断裂都会对网络的同步性和放电频率产生极大地影响。如果网络处在外部直流电场的作用下，当上述的两种情况出现时，网络的活动情况又该是怎样的呢，针对这个问题，将通过以下的仿真研究来说明。(a)和(b)分别代表着E-cells和I-cells的网络活动，其中上子代表网络同步系数，下子代表网络放电频率。中的虚线和实线分别代表外部直流电场作用前后的同步系数值。对于(a)中的E-cells来说，当EV在[-420]mV变化时，所对应的网络同步系数K0，低于电场作用前的同步系数K0.0371，一旦跨越了-42mV，同步系数迅速上升并在50EVmV时达到K1完全同步状态，随即又回落到；E-cells的放电频率走势和其同步系数类似。(b)的I-cells的变化情况和(a)中的类似，不同的直流电场作用后使得同步系数升高所对应的电场区间。通过仿真结果可知，只要合理的设置电场参数就能使得E-cells和I-cells网络都处于较高的同步状态，同时能保持着较高的振荡频率，这在一定程度上来说减弱了适应性电流对网络活动的影响。本节所引入的适应性电流是模拟类胆碱对神经细胞的调制作用，因此说直流电场刺激在一定程度上同样能够影响神经递质的调制作用。

1.2抑制性突触连接对网络同步活动影响

外部直流电场作用前后，去除I-cells网络中的抑制性突触连接对网络活动的影响如10所示。其结果同9很相似，在特定的电场区间内，网络的同步系数K和放电频率EIcellsf都有了显著地提高，也就是直流电场在适当地参数区域内不仅可以抵消由于抑制性连接解除所带来的负面影响，反而会使得网络同步性更强。此结论对于那些由于抑制性突触连接丧失所导致的神经系统疾病来说，通过对其进行物理性的电刺激就会在一定程度上缓解其症状。

2兴奋性突触连接对刺激竞争

在真实的神经网络中，来自其他因素的随机刺激时有发生，比如来自感觉信号的输入以及来自高级指挥系统的指令刺激等等。针对此现象，我们在E-cells中选取两个子集D和L,其中D和L子集分别包含[11-30]和[121-140]号的神经元。通过对D和L施以额外的兴奋性刺激来模拟随机性刺激的作用。11(a)中的D子集中的神经元所受到的电流刺激相对于8(a)中的增加了0.5，其他仿真参数保持一致，结果显示D中的平均放电频率虽比原来增大了一些，但是E-cells中其他神经元的放电频率却因此而下降了。11(b)的仿真设定在(a)的基础上，又对子集L施加0.7的额外电流刺激，这种情形下，D就被看作是一个扰乱因素，并且D中神经元的活动被大大地抑制了。11(c)在(b)的仿真环境下在D和L中又引入了兴奋性的突触连接，并设定兴奋性连接所对应的突触电导值1EEg，其仿真结果显示兴奋性突触连接增强了L对D所产生的抑制作用。

3结语

综合考虑上述仿真结果，当L受到相对于D来说更多的额外刺激时，D就会受到L的抑制。这说明对于神经网络来说，当其同时受到两个额外刺激的时候，相对较弱的刺激因素会被另外较强的刺激因素所抑制，这也就是所谓的刺激竞争。当只有D中的神经元受到额外刺激时，E-cells其他的兴奋性神经元便会受到D的抑制作用；虽然兴奋性的突触连接可以增强刺激竞争的效果，但是它对于I-cells网络活动的影响不是很大。在11(c)的仿真环境下12给出了电场作用前后E-cells中D和L内部的兴奋性突触连接对网络活动的影响，其中(a),(b),(c)分别给出了外电直流电场对D，L，I-cells网络的同步系数K和放电频率EIcellsf的影响。从(a)中可以看出外部直流电场在一定区域内有效地抑制了刺激竞争，并使得D的同步系数和放电频率都得到大幅度的提升。虽然L和I-cells没有受到来自其他方面的抑制作用，但是在电场的作用下，其网络同步性和放电频率在原来的基础上也都可以得到改善。

作者：胡碧霞单位：北京理工大学