论文总字数：29512字

摘 要

脊髓神经桥接系统需要对受损脊髓近端传输的神经信号进行探测，然后才能对其进行放大等处理，加载到远端脊髓神经，实现桥接过程。本文的目的在于建立在细胞外探测神经元动作电位的模型，并论证该神经信号探测模型的正确性与有效性。并对影响探测结果的参数进行研究与比较。

本文中的模型利用薄膜近似细胞膜的方法，用细胞内介质与细胞外域介质交界来代替神经元细胞膜。真实的细胞膜的厚度仅为几纳米，相对于尺寸在微米及以上范围的细胞的其他部分（例如，神经元和微电极等）是非常薄的。同时，有限元法在执行中的麻烦在于剖分导电体，而剖分膜体将导致对于计算机的处理能力和内存资源的很大要求，而利用薄膜近似细胞膜的方法能够有效避免剖分细胞膜，从而解决资源占用问题。所以可以用此模型对神经元细胞外动作电位探测进行研究。

关键词：细胞外动作电位，微电极阵列，有限元法，神经元模型，薄膜近似

The Simulation Model of Neurons Extracellular Action Potential

04011140 Guo Yu

Supervised by Zhao Xintai

Abstract

Spinal cord bridge system requires for detecting proximal transmission neural signal of the damaged spinal cord , and then you can enlarge the processing, such as load to the distal spinal cord, realize the process of bridge. The purpose of this paper is to establish detection model which can be used to detect action potential outside the neurons, and demonstrates the correctness and validity of the neural signal detection model. Then, study and compare parameters affecting the detection results.

Model in this paper uses thin-film approximate the neuron membrane, the border between medium in neuron and medium out neuron instead of the cell membrane. The thickness of real cell membrane is only a few nanometers, relative to the size in micron and above the rest of the range of cells (neurons and microelectrode, etc.), for example, is very thin. Meanwhile, it is a trouble to subdivision cell membrane, because it requests large number of computer processing power and memory resources. And it avoids the subdivision of the cell membrane using thin-film approximation of the neuron membrane, thus there is no problem of resource usage. So this model can be used to study extracellular action potential.

KEY WORDS: extracellular action potential, microelectrode array, finite element method, neural model, thin-film approximation of the neuron membrane

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1脊髓神经损伤现状 1

1.2脊髓损伤的生物学疗法 1

1.3微电子神经桥 2

1.4神经桥系统对信号的探测原理 2

1.5本文的研究目的和主要研究内容 4

第2章 电生理基础 5

2.1神经元结构 5

2.2静息电位 7

2.3动作电位的产生 9

2.4动作电位的传导 10

2.5细胞周围溶液的电磁模型 11

2.6神经元的电路模型 12

第3章 有限元法 16

3.1概述 16

3.2变分原理 17

3.3有限元的基本原理 20

3.3.1有限元剖分及分片插值 21

3.3.2有限元方程的求解与强制边界条件的处理 22

3.4有限元仿真软件 23

第4章 动作电位细胞外探测仿真及结果 24

4.1利用薄膜近似细胞膜 24

4.2建立神经元模型 25

4.3仿真及结果 29

4.3.1测量动作电位 29

4.3.2探测电极位置对于探测结果的影响 31

4.3.3电刺激时长对动作电位的影响 34

第5章 结论与展望 38

5.1结论 38

5.2展望 38

参考文献： 39

致谢 41

绪论

1.1脊髓神经损伤现状

脊髓损伤分为原发性损伤和继发性损伤。其中原发性损伤是指脊髓受到外力所造成的直接损伤，而受到直接损伤之后一般会发生一系列病理过程，这个过程就是继发性损伤，一旦造成脊髓损伤，后果都非常严重。根据统计数据显示，全世界的脊髓损伤患病率高达（233~755）/百万，年发病率为（10.4~83）/百万。

近年来有很多对于脊髓损伤的研究，各国学着都在尝试各种方法来攻克这一难题。各国科学家们总结出一些治疗方法，例如通过手术方法来解除压迫，内固定脊柱，使其恢复稳定性，以及药物治疗和高压氧等非手术疗法，但是这些疗法都只能减轻继发性损伤，对于原发性损伤的效果都不明显。这主要是因为对于脊髓损伤的修复不仅需要对脊髓神经组织位置和形态的修复，更重要的是对其功能的修复。

1.2脊髓损伤的生物学疗法

脊髓神经受损后，断裂的轴突能够发生一定的轴突延长，但是没有预期的轴突再生，所以依靠自然恢复是行不通的。受损神经元不可再生不只是外因引起的，更主要的是内在因素。实验中，在哺乳动物胚胎早期切断神经纤维，之后可以完全恢复其结构和功能，但是对于成熟体，切断脊髓神经之后则不能再生。在胚胎发育阶段，神经元生成轴突并在导向因子作用下向器官延伸，在到达器官时发生了深刻变化。而完成生长的神经元发生断裂就不能再次识别和连接器官。这就是说，神经元发育成熟之后，轴突的延伸能力减弱了。不能再发生真正意义上的再生，所以只能依靠其他治疗手段完成神经元的桥接。

生物疗法主要是细胞移植技术，其中利用雪旺细胞对神经元再生的促进作用来移植雪旺细胞促进受损脊髓神经元的轴突再生。但是轴突再生的比例和延长的长度都不能打到要求。

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