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
Progress of the Impact of Terahertz Radiation on Ion Channel Kinetics in Neuronal Cells
刘彦江1 • 刘熹1,2,3,4,5,6 • 舒友生1,2,4,5 • 于玉国1,2,3,7
1复旦大学智能复杂体系基础理论与关键技术实验室，上海 200433，中国
2复旦大学脑科学前沿科学中心和脑功能与脑疾病全国重点实验室，上海 200032，中国
3复旦大学类脑智能科学与技术研究院，上海 200433，中国
4复旦大学附属华山医院神经科，上海 200032，中国
5复旦大学脑科学转化研究院，上海 200032，中国
6复旦大学附属金山医院神经外科，上海 201508，中国
7上海人工智能实验室，上海 200232，中国
第一作者：刘彦江、刘熹
通讯作者：于玉国、舒友生
这篇综述文章深入探讨了太赫兹（THz）波辐射对神经元和肌肉细胞的选择性离子通道的影响。离子通道在细胞膜上起到将化学或感官刺激转换为神经电信号的关键作用。由于太赫兹波的穿透性和非电离特性，其对离子通道动力学及细胞膜流动性的研究在近年来受到了广泛关注。太赫兹波通过与生物大分子的共振频率匹配，能够调控离子的活动及通道的结构功能动态，引发共振动力学的生物反应。这种非热效应可能影响细胞信号传递和基因表达等生物过程，因此，近年来受到了极大的关注。此外，太赫兹波辐射也会引起热效应，因生物分子对特定波长电磁波的能量吸收导致温度上升，进而影响分子动力学和生化反应。
本文主要讨论了以下三个主要方面的相关进展：太赫兹辐射的生物物理效应、对离子通道的微扰调制，以及太赫兹辐射在生物体中可能引起的潜在病理生理副作用。理解这些生物物理机制对开发新的疾病防治策略具有潜在价值。
在神经早期发育期间，太赫兹辐照可能导致细胞体、轴突和生长锥的显著结构变化，干扰神经元的连接方式。对于细胞膜，太赫兹波辐射可能通过改变膜蛋白的形状和形成亲水孔来改变其渗透性。对离子通道而言，尤其是那些参与神经元动作电位产生过程的钠、钾、钙通道，太赫兹波可以诱发共振动力学响应，通过与离子通道蛋白大分子的共振频率匹配，影响离子通道的开合，从而导致跨膜离子的扩散，可能引发膜电位的去极化甚至自发动作电位。这些效应对开发新的远程控制神经元特性的医学诊断和治疗工具具有重要价值。
图1 A, C (左) 特定离子选择性过滤器的肽结构。红色和青色球代表蛋白链（灰色带状）上过滤器的关键功能性原子氧和碳；橙色和蓝色分别表示 K+ 和 Na+离子。A, C (右) MD分子动力学模拟中模型过滤区域的侧视（上部）和顶视（下部）。青色管状和两层片状代表通道及其支撑的双层膜。黑色箭头以及红色和蓝色曲线表示增加的太赫兹波。B, D 模型 K+（B）和 Na+（D）通道的选择性效率。E 太赫兹波强度对通过通道的钠离子电流的影响。F 模型 K+（橙色）和 Na+（蓝色）通道的振动光谱。53.7 和 48.2 THz 的峰值分别由 –C=O 和 –COO− 的振动贡献。
综上所述，太赫兹波与离子通道及其他多种分子实体的相互作用，为医学和生物学研究开辟了新的思路和方向。未来的研究可以进一步探索太赫兹波对生物大分子、基因网络和信号通路的系统性影响，可能为治疗神经系统疾病提供新的见解和重要突破。
关键词：离子通道动力学；太赫兹辐射；电磁场相互作用；神经元；细胞膜
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https://link.springer.com/article/10.1007/s12264-024-01277-0
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