类型b：

太赫兹辐射对神经元细胞离子通道动力学影响的研究进展

作者及机构
本文由Yanjiang Liu（复旦大学智能复杂体系基础研究院）、Xi Liu（复旦大学脑科学前沿科学中心、医学神经生物学国家重点实验室等）、Yousheng Shu（复旦大学附属华山医院神经内科）和Yuguo Yu（复旦大学类脑智能科学与技术研究院、上海人工智能实验室）共同完成，发表于2024年12月的《Neuroscience Bulletin》（第40卷第12期）。

研究主题
本文是一篇系统性综述，聚焦于太赫兹（THz）辐射对神经元细胞离子通道动力学的生物物理影响及其潜在应用。太赫兹波（0.1–100 THz）因其非电离性、深穿透性和与生物分子振动频率的共振特性，近年来在生物医学领域备受关注。文章从太赫兹波的生物效应、离子通道的调控机制及神经生物学应用三个维度展开讨论。

主要观点与论据

1. 太赫兹波的生物效应：热效应与非热效应
   太赫兹波与生物系统的相互作用可分为热效应和非热效应。热效应源于水分子对太赫兹波的高吸收率（生物组织含水50%–70%），导致局部温度升高并影响分子动力学（如钙通道激活）。非热效应则通过共振机制直接改变生物大分子（如蛋白质、DNA）的构象与功能。例如，42.55 THz的辐射可选择性增强钙离子通道的渗透性，而53.7 THz的波则通过激发钾通道选择性滤器中的羰基（-C=O）振动，加速钾离子传输。支持证据包括分子动力学模拟（CHARMM-GUI、GROMACS）和实验数据（如Li et al. 2021年发表于《JACS》的钙通道研究）。

2. 太赫兹波对离子通道的调控机制
   离子通道（如电压门控钙通道、钾通道KCSA）的结构与功能易受太赫兹波影响。例如：

   • 钙通道：42.55 THz的辐射可降低钙离子跨膜自由能垒，促进其通过选择性滤器（-COO⁻基团振动增强）。
     
   • 钾通道：53.7 THz的波通过共振效应改变KCSA通道的二级结构（α-螺旋减少，β-折叠增加），并增加氢键数量，从而提升渗透率。
     这些发现基于理论模型（如Liu团队提出的“THz trapped ion model”）和模拟结果，揭示了太赫兹波通过量子力学机制调控离子传输的可能性。
     

3. 神经生物学应用潜力
   太赫兹波在神经调控中展现出独特优势：

   • 行为调控：低频率（如34.88 THz）可改变动物行为（如鸽子神经元放电模式），而53.53 THz的波能缩短小鼠皮层神经元动作电位时程，影响感觉运动功能。
     
   • 治疗潜力：非热效应可能用于神经系统疾病（如通过调节突触蛋白PSD95表达改善神经退行性疾病）。实验证据包括斑马鱼幼虫的逃避行为调控（Liu et al. 2021）和体外神经元模型（Tan et al. 2021）。
     

4. 双向相互作用：离子通道作为太赫兹波发射源
   理论研究表明，离子在通道中的振荡可能自发产生太赫兹辐射（如钙离子在16.9 THz频段的发射）。Wang与Gong团队通过布朗动力学模拟验证了这一假设，为“生物体-太赫兹波”双向交互提供了新视角。

研究意义与价值
本文的价值在于：
1. 理论创新：整合量子力学与生物物理学，提出离子通道-太赫兹波共振模型，填补了电磁场与神经信号交互机制的空白。
2. 应用前景：为太赫兹技术在神经疾病治疗（如非侵入性神经调控）和诊断（如蛋白质构象检测）中的应用奠定基础。
3. 跨学科启发：推动物理学（太赫兹技术）与生命科学（离子通道生物学）的交叉研究，为下一代生物医学工具开发提供思路。

亮点总结
- 多尺度机制解析：从分子振动（如-C=O键共振）到动物行为，系统阐明太赫兹波的生物效应链条。
- 方法学创新：结合分子动力学模拟（如GROMACS）、量子理论模型与实验验证，形成多学科方法论框架。
- 潜在范式转变：提出“神经元信号可能包含太赫兹频段电磁成分”的假说（Xiang et al. 2020），挑战传统电生理学认知。

本文为太赫兹生物效应的研究提供了全面参考，并呼吁进一步探索其在精准医学中的潜力，尤其是标准化实验参数和长期生物安全性评估。