为研究微秒脉冲电刺激对神经元动作电位发放特性的影响,结合笛卡尔传输网格和HH神经元等效电路模型建立3维神经元传输网格系统模型。在此基础上,仿真研究了刺激强度I改变而刺激脉宽τ不变、刺激τ改变而I不变、以及刺激剂量(I^2_τ)不变而强度I与脉宽τ均改变3种刺激方案下各参数分别对神经元动作电位发放特性的影响。研究结果表明:3种方案均存在刺激阈值,分别为25 n A、90.79μs;5.968 29 n A、400μs;112.52 n A、19.746μs。刺激参数大于阈值,神经元产生兴奋且可有效传递。沿轴突z方向(除刺激点)各处动作电位峰值随刺激参数增大基本不变,仅时延变长。刺激点处动作电位峰值与刺激参数大小正相关,但脉宽增大时其存在最大峰值。刺激参数小于阈值,神经元无法产生兴奋,沿轴突z方向各处动作电位峰值与刺激参数大小正相关。考虑作用效益和技术发展现状,可综合选取出最优参数。研究结果可为后续实验甚或临床研究提供刺激参数选取的理论依据,对进一步的机理研究具有一定的参考价值。
为了研究高频纳秒脉冲电场(ns PEFs)杀伤肿瘤细胞的机理,结合笛卡尔传输网格(CTL)和动态电穿孔等效电路模型对1个典型的2维多细胞系统在ns PEFs作用下的穿孔特性进行了仿真。利用Pspice仿真软件建立了该多细胞系统电路模型,并分析了其穿孔数量和穿孔半径变化特性。首先施加了10个场强、频率和脉宽分别为5k V/cm、1 MHz和500 ns的高频纳秒脉冲到该多细胞系统模型,结果表明随脉冲个数增加穿孔区域分布变化不大,而穿孔半径分布有明显的累积效应,细胞外膜和细胞核膜上部分孔的半径逐渐增大。同时比较了电场强度为3、5和10 k V/cm时该系统中穿孔数量和最大孔径随脉冲个数增加的变化情况。结果显示场强增加时穿孔数量明显增加,特别是场强从3 k V/cm提高到10 k V/cm时,系统整个细胞核膜从未穿孔到穿孔数量增加到2.658 4×105个。另外,穿孔半径仍然存在累积效应。仿真结果说明适当参数的高频ns PEFs能使细胞核膜发生穿孔,并起到扩大细胞部分穿孔半径的作用,可为后续实验研究选择高频纳秒脉冲参数提供依据。
为深入研究脉冲电场对细胞的作用机制,并进一步推广其在临床上的应用,基于有限元仿真软件建立了考虑胞内细胞器的单细胞五层介电模型,从2维和3维的角度研究分析了脉冲电场诱导细胞发生电穿孔的动态过程。同时,鉴于理论球形细胞与真实细胞结构的差异,建立不规则细胞介电模型,讨论分析脉冲电场作用于理论球形细胞与真实细胞电穿孔效应的差异。仿真结果表明:在1.5 k V/cm、10μs脉冲电场作用下,细胞膜上跨膜电位升高达到穿孔跨膜电位阈值(1 V)后发生穿孔,孔密度急增(达到1016数量级),电导率随着时间快速增加,从而进一步改变跨膜电位的分布,穿孔区域由正对电极的点逐渐往四周扩展,最终穿孔区域达到整个表面积的71.4%。而不规则细胞下的跨膜电位、电导率等分布较复杂,不再具有对称分布性,对于畸形度较大的细胞则必须考虑其形状的影响。仿真结果合理解释了脉冲作用下单细胞电穿孔的作用机制,为进一步分析复杂细胞系统提供理论依据,同时推进了脉冲电场的临床应用。
