人腦是否有電容結構與其電容結構諧振頻

時間 2021-05-30 00:12:06

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所謂電容就是儲存電荷的結構。在大腦中,每個神經元都存在著這樣的結構,即由兩層磷脂分子組成的薄膜——磷脂雙分子層(lipid bilayer)[1]:

磷脂雙分子層構成的電容結構

磷脂雙分子層,由磷脂醯膽鹼(Phosphatidylcholine)組成

而神經元細胞膜內外的電荷則是由離子(Na+, K+, Ca++; Cl-)的分布濃度不同來產生(離子通道, 也就是一種成孔蛋白,它通過允許某種特定型別的離子穿過該通道,來幫助細胞建立和控制質膜間的微弱電壓壓差[2]). 在描述神經電位的初始化和傳遞的Hodgkin–Huxley模型[3]中,可以看見代表磷脂雙分子層電容特性的 :

Hodgkin–Huxley模型

神經元的靜息時,其軸突上的壓差在60~90 . 這樣軸突的細胞膜構成乙個圓柱電容器:

對於沒有髓鞘化的軸突(神經髓鞘及其作用)來說,乙個1 長軸突的電容典型值為0.1 , 儲存電荷為6.8 .

而乙個有髓鞘的等長軸突由於細胞膜內外間的距離顯著增加,造成電容典型值下降到49 ,對應的儲存電荷下降到 39 . 電荷儲存下降約兩個數量級,使神經訊號傳遞速度顯著上公升。

實際電容(包括這裡的神經細胞膜等效電容)有一些寄生效應,並不是純粹簡單的電容。由於電容導線的存在,有一定的電感,在高頻時候會產生較大影響,這裡以等效串聯電感ESL表示:

實際電容等效模型

由於ESL的存在,與電容C一起構成了乙個諧振電路,其諧振頻率便是電容的自諧振頻率。在小於自諧振頻率時,電容表現為容性,在大於自諧振頻率時,電容表現為感性。因此電容在低於自諧振頻率的區間內才有作為容性元件的利用價值[4].

一般來說,自諧振頻率都在數千 量級,而神經訊號遠遠小於這個量級,所以不用考慮自諧振頻率的影響。

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