徐晶晶课题组实验证实神经电磁信号高效传输新机制—神经软物质波导模型取得重要突破

近日，山东大学集成电路学院徐晶晶课题组，联合山东大学基础医学院和北京大学电子学院等科研单位在新型神经信号传输机制领域取得重要进展。相关成果以“Biophysical exploration of the neural soft-matter waveguide propagation hypothesis”为题发表在国际物理学期刊 Chinese Journal of Physics。山东大学集成电路学院许志明、葛彦斌和山东大学基础医学院研究员王艳青为论文共同第一作者，徐晶晶为论文唯一通讯作者。

神经信号的高效传输是大脑感知、运动控制和信息处理的基础。传统的神经电缆理论在解释有髓神经中信号的长距离、快传导方面存在局限。针对这一问题，研究团队于2013年提出神经软物质波导假说，该假说基于“细胞外液–髓鞘–细胞内液”构成的天然软物质波导结构，强调神经纤维可视为一种生物电磁信号高效传输的电磁波导通路；而神经信息的核心载体并非传统观念的离子电流本身，而是由钠离子/钙离子等离子通道瞬时开启所激发的电磁脉冲。然而，由于弱电磁测量技术和神经纤维实验操作困难等问题，该假说的生物学验证特别困难。

图1. 神经软物质波导模型（左），基于神经软物质波导的牛蛙坐骨神经“局部损伤—油封修复”实验结果及其生物物理机理（右）

课题组前期发现神经信号表观传导速度与有效传输距离的正相关关系，据此提出一种模型验证方法：将现有弱电磁探测技术无法实现的对神经电磁传输性能的检验，转化为利用传统神经电生理技术容易实现的对神经信号传导速度的实验检验。在仿真实验中，构建了有髓神经纤维的软物质波导模型，系统分析了神经纤维结构参数对信号传输效率与表观传导速度的影响，仿真结果与大量神经电生理实验测得的规律高度一致。在生物实验方面，通过牛蛙坐骨神经的电生理测试，采用“局部损伤—油封修复”的对照方案，证实髓鞘结构受损会显著削弱神经信号传输，而引入具有相近电学特性的软物质后可有效修复髓鞘结构进而恢复神经信号传导，而该实验现象是传统电缆模型无法解释的。

该研究通过“仿真建模+生物实验”的双重验证策略，从材料结构、物理机制、仿真模拟和生物实验四个层面，系统性验证了神经软物质波导假说的合理性与普适性，为神经编码、脑功能调控以及基于电磁机制的神经干预技术提供了新的理论依据和研究思路。

该研究得到国家自然科学青年基金、山东省自然科学青年基金、广东省区域联合基金（青年项目）、国家重点研发计划等项目资助。