【《太赫兹对神经系统的影响研究国内外文献综述》4500字】

太赫兹对神经系统的影响研究国内外文献综述太赫兹波是电磁波谱中的一个“盲点”，相对于其他电磁波：可见光、X射线、伽马射线等，人们对它的了解和探索依然不够成熟，被称为电磁波谱的“太赫兹空隙”。同时，由于其独特的性质，太赫兹技术在众多领域都具有良好的应用前景。在生命科学和医学领域，其可以用来识别和辨别各种生物小分子和生物大分子，或者对组织等进行太赫兹光谱成像。而由于其具有低能和非电离辐射的特点，不会对生物体造成损伤，因此具有无损调节生物体功能的潜力。Olshevskaya团队首次证明了某些检测波长对神经细胞结构功能特性的作用具有高度特异性。他们对离体的椎实螺神经元研究发现，0.7、2.49、3.69THz的太赫兹辐照对其细胞的生长、黏附、膜形态变化及膜静息电位的影响最为显著[55]。Tan等人探究了太赫兹波对大鼠三种原代培养神经元细胞的影响[56]，他们使用的太赫兹频率分别为0.16THz和0.17THz，对应的功率分别为50mW和10mW，结果显示，不同的细胞对太赫兹波段的反应不同，MN9D细胞系比其他细胞系更敏感。而且，神经元的作用和太赫兹波的参数密切相关，暴露于10mW太赫兹波的皮层神经元表现出了兴奋刺激作用，而暴露于50mW的太赫兹波则无刺激作用。已经有研究发现了太赫兹辐照对于神经元中跨膜运输过程的影响，Olshevskaya等人使用不能渗透完整细胞膜并能检测活细胞的台盼蓝染料进行了实验，电生理分析表明，太赫兹辐射可以使得正常情况下不能进入细胞内的物质渗透进细胞内[57]。罗洁等利用太赫兹时域光谱技术对神经细胞中最常见的五种物质：肌醇（myo-inositol）、肌酸（creatine）、盐酸多巴胺（dopaminehydrochloride）、L-谷氨酸（L-glutamicacid）、γ-氨基丁酸（GABA）进行了特征谱检测，图1-6为其光谱，结果显示在太赫兹波段（0.9-4.5THz），这五种物质有各自独特且清晰的吸收谱线，同时，物质的浓度和吸收系数满足郎伯比尔定律。而且，即使不同物质混合在一起，依然可以推断出不同物质的含量及比例[58]。图1-6神经细胞中五种常见物质的THz-TDS光谱[58]Kirichuk等人以运动减退作为白化病大鼠的应激模型，使用NO频率范围（150.176-150.664GHz）的太赫兹波辐照不同时间，来观察其行为反应的变化[59]。结果表明，连续照射15min后，一些行为反应会部分恢复，照射30min的效果则更加明显。有研究表明，太赫兹辐照对神经细胞有刺激和抑制作用，但是这种效应依然缺乏系统性的研究，例如功率、频率、暴露时间等不同参数对不同生物体的影响和整体趋势。Tsurkan等研究了0.05-2THz范围内不同功率密度太赫兹辐照对鸡胚感觉神经的影响，结果在5μw/cm2和50μw/cm2的功率密度进行的实验中，没有观察到太赫兹对感觉神经元生长的影响，但功率密度为0.5μw/cm2时，实验组面积指数的变化比对照组增加了24%，于是他们得出一个假设，低功率的THz辐射可以刺激细胞增长[60]。这也表明，选择正确的太赫兹参数通过非破坏性过程可以潜在地控制神经反应，从而产生一种新的治疗方法。Duka等人通过实验及模拟[61]，研究了脉冲宽带的太赫兹辐照对感觉神经节神经突生长的潜在机制，结果显示脉冲辐射对神经突的影响主要是由于神经对脉冲能量的吸收，而且，还观察到了与共振效应有关的单个共振频率，可以将其用于刺激神经的生长。大多数的研究表明，太赫兹辐照不会造成研究对象温度的升高[62-65]，同时，也有一些实验中表现出了温度的升高[66,67]，这可能是由于功率过高引起的。2018年，庞等人确认并验证了神经冲动是以太赫兹波的形式沿着神经系统传播，而不是毫米波的形式，这是首次确定神经冲动沿着生命系统中神经纤维传播的太赫兹特性[68]。Liu等人利用郎飞结节点处放大的神经太赫兹/红外信息的准量子模型，证明了三级放大的生物分子体系的存在，其可以在神经系统中对信息传播和放大，神经纤维在太赫兹谱范围内充当高频电磁信息的介质波导[69]。图1-7为神经元及髓鞘、郞飞氏结结构示意图，其主要包括神经元细胞体（Cellbody）、细胞核（Cellnucleus）、树突（Dendrites）、轴突（Axon）、髓鞘（Myelinsheath）、郞飞氏结（NodeofRanvier）、神经末梢等。髓鞘是包裹在神经细胞轴突外面的一层膜，由施万细胞和髓鞘细胞膜组成。图1-8为纵向截面视角THz场沿有髓神经传播的模拟图，（a）为电磁场在髓鞘中的传播及在神经纤维郎飞氏结处的放大，（b）表示从左侧入射的太赫兹场，其传播取决于内轴突与髓鞘之间的介电差。图1-7神经元及髓鞘、郞飞氏结结构图1-8模拟THz场在神经系统中的传播[69]神经元是神经系统结构和功能的基本单位，大量研究表明，神经系统是电磁辐射的一个敏感靶位。而对于太赫兹和神经的相关研究依然没有形成体系，太赫兹和体外神经元的研究居多，而和生物个体神经系统的相互作用的研究则相对较少。因此本文主要从宏观上研究了太赫兹辐照对C57BL/6小鼠行为学的影响、脊髓损伤修复的作用，及太赫兹对生物个体安全性的探究。动物行为是动物在个体或者群体层次上对外界环境的变化和内在生理状况的改变所作出的整体性的反应，并具有一定的生物学意义。研究对象包括觅食进食、攻击防御、繁殖社交、学习表达等等。动物行为学的研究成果不仅可用于畜牧业、农业、养殖业等部门来大大提高经济效益，而且对仿生学、进化论、遗传学、生理学、心理学等学科的发展也具有不可估量的意义。对动物学习和认知等方面的研究，更是能促进神经科学的发展。动物行为学实验可以通过建造模型，改变其自身状态或者外部环境以形成刺激：光声电刺激、食物诱导、药物处理等等，直接或者间接地施加作用，影响其行为，再观察检测等，从而达到实验的目的。动物行为学发展至今，科研人员除了在宏观上可以对动物施加影响，甚至可以在基因层面植入、敲除、改变基因来进行研究。多种动物可用作行为学实验的模型，最常用的有大小鼠、兔、犬、猪、猴等等。在这些模型动物中，使用最广泛的，最常见的便是鼠类，鼠类动物价格便宜，繁殖快、容易获得、体型小、取材简单、容易观察，可大大缩短实验前期的准备时间，从而提高实验效率。此外，自从有了近交系小鼠以来，其基因型高度纯合，在各种实验中均表现出良好的稳定性。通过对鼠类动物的研究，可以探究很多疾病的发病机制，及用药等治疗手段的反应情况。目前，抑郁症[70]、自闭症[71]、精神分裂症[72,73]、阿尔茨海默病等小鼠疾病模型均已建立。对于鼠类而言，在生物医学研究上最常用的实验有旷场实验、迷宫实验、明暗箱实验、跑台试验、悬尾试验、强迫游泳实验、社会交互实验等等。旷场实验：是评价实验动物自发活动、探索行为的一种方法。二十世纪五十年代至七十年代开始，旷场实验已被用来检测啮齿动物由于产前压力而引起的潜在的焦虑行为[74]，大量的实验数据表明，对于啮齿动物，不同的母体应激源可以重现在人类中观察到的子代中的一些异常行为。旷场实验主要是分析动物在旷场的中央区域、周边区域、角落区域等不同位置的运动距离、停留时间等参数来评价实验动物的活动和行为。旷场实验是经典的行为学实验，其实验受诸多因素的影响，例如实验环境、实验频率、昼夜规律、遗传变异、发情周期等等[75]。迷宫实验：迷宫实验种类繁多、应用广泛，其种类有高架十字迷宫、巴恩斯迷宫、八臂迷宫、Morris水迷宫、Y迷宫、T迷宫、高架O迷宫、托尔曼迷宫等等。特别是高架十字迷宫，被广泛地应用于实验室中啮齿类动物焦虑行为的评估[76]。高架十字迷宫由两个垂直交叉又具有一定高度的十字臂组成，其中两个为闭合臂，两个而开放臂，利用动物嗜暗的天性（闭合臂），同时又有好奇心（开放臂），产生探究和回避的矛盾行为，从而产生焦虑抑郁等心理。2021年，Knight等人利用成年雄性和雌性大鼠研究了性别对于旷场实验和高架十字实验结果参数的影响，结果表明，雌性的焦虑程度要低于雄性，这说明性别差异对相关药物的研发具有重要意义[77]。跑台实验：跑台运动主要是用于强制性运动训练和精确测试啮齿动物的疲劳，是一种较好的进行耐力训练的方式。其一般采用光、声、电等三种刺激方式来控制动物按照实验要求进行跑步。实验过程中，应密切观察实验动物的运动表现和运动能力的变化，避免过度疲劳的发生。跑步运动训练，可取代传统的游泳训练，使训练强度指标更加准确，Castro等人提供了进行跑台力竭实验和全肢握力测验的详细流程，来评估小鼠的肌肉性能[78]。同时，也是耐力、体能、药物、营养等实验的必要手段之一。通过建立运动模型，探究运动对机体生理和病理的作用，还可以促进科学化的运动训练、提高竞技体育成绩、帮助运动在疾病康复中的合理运用。Krishna等使用旷场实验和跑台实验来测试其开发的模拟人外周动脉疾病的双阶段肢体缺血模型[79]。Zhao等人研究建立了更准确的小鼠握力测试模型分析方法，从多参数的角度研究了终身跑台运动训练对小鼠衰老过程中肌肉功能下降的影响。结果表明终身运动训练可减缓腓肠肌肌肉、肌纤维、肌核数量的丢失。这为研究衰老、运动训练和肌肉功能之间的关系具有重要意义[80]。强迫游泳：强哟游泳实验是一种行为绝望实验法，通常被用来检测大小鼠抑郁类行为和检测抗抑郁药物作用。其原理是当大鼠或者小鼠被放进一个有水圆筒或其他有限空间使之游泳，开始时其拼命游泳力图逃脱，很快就变成漂浮不动状态，仅漏出鼻孔保持呼吸，四肢偶尔划动以保持身体不至于沉下去，实际是实验动物放弃逃脱的希望，属于行为绝望。影响因素有动物、季节、水温、水深等。相对于其他行为学模型而言，强迫游泳模型的优势在于简单、有效。但其亦有局限性，就是此方法不适用于所有种属的大小鼠。目前，最常用的模型动物是Wistar大鼠和昆明小鼠。和多种其他动物实验模型同时进行，这样可以对动物的反应进行比较，更能够保证结果的准确性。Alekseeva等人从四种植物中分别提取了四种不同的物质组成为Tetraphyton，并让大鼠提前服用，再进行强迫游泳实验，结果证明，Tetraphyton可以通过抑制细胞膜的脂质过氧化作用来提高骨骼肌和心肌的能量供应，从而提高大鼠自身整体耐力[81]。Kang等人的研究表明通过有氧运动等体育锻炼可以减轻抑郁症或者抗抑郁作用，其机制为减轻海马损伤或者刺激海马mTORC1和FNDC5/irisin信号传导途径[82,83]。Khan等人研究了乙醇在强迫游泳中的抗抑郁作用及分子机制，结果表明，乙醇可减少动物在强迫游泳实验中的静置时间，并且NMDA受体的阻断和一氧化氮/环鸟苷一磷酸（NO-cGMP）途径可能与乙醇对小鼠的抗抑郁作用有关[84]。参考文献ADDINEN.REFLISTZhaoL,HaoYH,PengRY.Advancesinthebiologicaleffectsofterahertzwaveradiation[J].MilitaryMedicalResearch,2014,1(17).张栋文，袁建民．太赫兹技术概述[J]．国防科技，2015,36(02):12-16.张卓勇，张欣．太赫兹时域光谱技术应用研究进展[J]．光谱学与光谱分析，2016(S1):54-55.PlusquellicDF,SiegristK,HeilweilEJ,etal.Applicationsofterahertzspectroscopyinbiosystems[J].Chemphyschem,2007,8(17):2412-31.胡小燕．从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势[J]．激光与红外，2015,45(07):740-748.周泽魁，张同军，张光新．太赫兹波科学与技术[J]．自动化仪表,2006,27(03):1-6.ZeniO,GalleranoGP,PerrottaA,etal.Cytogeneticobservationsinhumanperipheralbloodleukocytesfollowinginvitroexp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