太赫兹辐射通过降低神经元膜面积比影响神经元动态特性的研究

作者及机构
本研究由Shaoqing Ma（河北经贸大学管理学院、燕山大学信息科学与工程学院、河北省信息传输与信号处理重点实验室）、Siyu Li（河北工业大学电子信息工程学院）、Huan Wang（北京交通大学电气工程学院）、Yingwei Li（燕山大学信息科学与工程学院/河北省重点实验室）、Chengbiao Lu（河南新乡医学院无创神经调控国际联合实验室）及Xiaoli Li（华南理工大学自动化科学与工程学院/琶洲实验室）共同完成。研究成果发表于2025年的《Brain Research Bulletin》（卷227，文章编号111373），采用开放获取形式发布。

学术背景
太赫兹辐射（Terahertz radiation，0.1–10 THz）作为介于微波与红外光之间的电磁波，因其与生物分子（如蛋白质、DNA）的低频振动模式共振，近年来被探索为一种潜在的神经调控技术。已有研究表明，特定参数的太赫兹辐射可影响细胞内离子浓度（如Ca²⁺、Na⁺、K⁺）及突触传递效率，但其对神经元形态与功能动态关联的调控机制尚不明确。本研究旨在揭示太赫兹辐射如何通过改变神经元膜面积比（神经元胞体与突起的膜面积相对比例）调控其放电模式与突触动力学特性，为神经退行性疾病的分子水平干预提供新思路。

研究流程与方法
1. 实验系统构建
- 太赫兹辐射平台：采用Terasense公司0.138 THz雪崩二极管太赫兹源，优化光路设计（含PTFE透镜与反射镜），实现与神经元形态记录系统的兼容。辐射参数为每日20分钟、连续3天，功率密度控制在2 mW以下以避免热损伤。
- 神经元培养：从孕12–15天的SD大鼠胚胎皮层提取原代神经元，体外培养至快速生长期（1–3天）进行辐射干预，确保动态观察形态变化。

1. 形态学分析

   • 膜面积比计算：通过ImageView软件量化神经元胞体半径（r₁）与突起总长度（h），将胞体简化为球体（表面积4πr₁²）、突起简化为圆柱体（侧面积2πr₂h，r₂固定为5 μm），按公式 ( p = \frac{areabody}{areabody + areaneurite} ) 计算膜面积比。
     
   • 动态记录：实时拍摄辐射前后神经元形态，统计连续3天的膜面积比变化（对照组Con与辐射组THz各n≥30神经元）。

2. 动力学模型构建

   • 双室锥体神经元模型（PR模型）：基于Pinsky-Rinzel简化模型，将形态参数p耦合至微分方程（公式4），模拟胞体与树突的离子电流（如Na⁺、K⁺、Ca²⁺通道）及突触后电流（AMPA/NMDA受体介导）。
     
   • 参数映射：将实验测得的p值输入模型，求解动作电位（vs）与突触后电流（isyn）的动态变化。

3. 电生理与统计分析

   • 放电特性：分析簇间/簇内放电频率、动作电位幅值及斜率等参数，采用Shapiro-Wilk检验正态性，独立样本t检验比较组间差异（p<0.05为显著）。
     
   • 突触传递：量化突触后电流峰值、上升时间等，结合Grubbs检验排除异常值。

主要结果
1. 形态学变化
- 太赫兹辐射首日即显著降低神经元膜面积比（THz组p值较Con组下降15.2%，p<0.05），且此效应持续至辐射结束（第3日p值降低18.7%）。该现象归因于辐射促进突起生长的速率高于胞体（图1）。

1. 放电模式调控

   • 辐射组神经元放电模式由周期性双峰转变为多峰（图2a），簇间放电频率降低（第1日减少22.3%），动作电位幅值下降（第1日降低19.8%），而簇内放电频率增加（第2日升高31.5%）。模型表明，膜面积比降低通过增强胞体-突起间超极化电流，提高放电阈值（图2b）。
     

2. 突触传递增强

   • 突触后电流峰值绝对值增加（第1日升高25.4%），上升时间缩短（第1日减少17.6%），提示AMPA受体介导的电流比例上升（图3）。这与辐射后兴奋性递质谷氨酸（Glu）浓度升高及AMPA受体数量增加的实验结果一致。
     

3. 时间依赖性分析

   • 多数动力学参数（如簇间放电频率）与辐射天数无显著相关性（图4），表明太赫兹效应主要取决于累积剂量而非单次时长。

结论与意义
本研究首次阐明太赫兹辐射通过降低神经元膜面积比，动态调控其放电模式与突触可塑性。科学价值在于揭示了形态-功能耦合的分子机制，即膜面积比作为关键调控因子影响离子通道分布与电流强度；应用价值在于为开发基于太赫兹的神经退行性疾病干预技术（如阿尔茨海默病的突触修复）提供了理论依据。局限性包括未探索长期效应及多频段辐射参数的比较。

研究亮点
1. 创新方法：构建兼容形态记录的太赫兹辐射系统，实现实时动态观测；
2. 跨尺度模型：将形态参数p耦合至PR模型，定量解析太赫兹的神经电生理效应；
3. 机制突破：提出“膜面积比-放电阈值-突触传递”的级联调控通路，填补太赫兹神经生物学机制空白。

其他发现
低功率（μW级）短时辐射可促进神经元生长（与Sulatsky等研究一致），提示参数优化对安全应用的重要性。