神經信號生成和傳導的物理模型理論

序

第1章 導 言
第2章 電壓門控單離子通道的基本電導率
第3章 電壓門控單離子通道模型
第4章 能斯特均衡狀態
第5章 靜態離子門控通道電壓
第6章 單離子門控通道生成的動作電位
第7章 電阻電導率的基本模型
第8章 鈉離子通道的瞬態電導
第9章 鉀離子通道的瞬態電導
第10章 三離子型電壓門控通道生成的動作電位
第11章 鈉離子通道的瞬態動作電位
第12章 神經元信號傳播的多介質效應
第13章 傳導電神經元信號的數學程式
第14章 局部和針刺麻醉的物理模型
第15章 結論

附錄A 電阻電導的基本模型
附錄B 動作電位生成模型
附錄C 擴展的Drude電導率模型
附錄D 諧波振蕩器模型的電容電流
附錄E 旋轉板門的動態特性
附錄F 模型三離子通道靜止電位
附錄G 物理參數單位
附錄H 物理名詞

參考文獻

 

序

　　尼克森總統1972 年訪華，當時開啟了許多電視報導的新活動。針刺麻醉外科手術的展示給我留下了深刻的印象。我對遠程控制從手術操作位置到大腦的神經疼痛信號的傳導物理原理感到非常困惑。在過去的半個世紀裡，我一直在想建立一個神經麻醉的基本物理模型來了解針刺麻醉的機制。然而，我的教育背景不是生物學─醫學，我從來沒有奢望能自我解決這些難題。

　　2008∼2010 年我在陽明大學進行「生物醫用材料的偏振光學特性」研究計畫，結果證明了穆勒矩陣偏振技術在遙感和生物醫學組織鑑別方面的應用可行性。這段經歷使我得到了一個很好的機緣，將我的研究領域從純物理學轉向生物醫學。此外，在神經研究所連正章教授的一次生物學院演講中，我了解到傳播中的神經信號本質上是電的信號：動作電位。對我來說，就像我研究過的金屬、半導體和超導體一樣，神經元也是一種可用於電磁信號傳輸的材料。這是我進行「神經信號生成和傳播的物理模型理論」研究的動機。我非常感謝連教授的諮詢，他是幫助我進入神經學研究領域的關鍵人物。本書報告了我在2015∼2022 年的七年學習和研究成果。幸運的是，我也已研發出一個神經麻醉的基本物理模型來幫助我了解針刺麻醉的可能機制，它解決了我半世紀來的心中困惑。

　　「隔行如隔山」，將研究從純物理學轉變為生物醫學領域的確非常困難。在2015∼2022 年期間，我研發用於研究神經信號傳播的物理模型確實是「摸著石頭過河」的經歷。與現有的霍奇金和赫胥黎理論不同，我的模型在數學上簡單而且具有微觀隨機統計物理學的基礎，常數值均可以實驗測定。我期望此模型應可能提供純物理學家和生物醫學專家之間的研究橋樑，以增進未來對針刺麻醉機制和神經信號傳播的基本瞭解。

　　我要感謝連正章教授提供許多神經學的參考文獻和有價值的討論；感謝2019年吳述中博士與我對鈉泵和動作電位物理的寶貴討論；感謝我的外孫女游咸漪，教我使用谷歌翻譯軟體，我現在可以同時寫完這本書的英文和中文版本了。