Monte Carlo simulation for statistical mechanics model of ion channel cooperativity in cell membranes
电压门控离子通道是在可兴奋细胞膜中产生和传播电信号的关键分子。这些通道在传导和非传导状态之间的电压依赖性切换是控制跨膜电压的主要因素。本文在二维自旋模型的基础上讨论了这些分子的统计力学模型。引入一种新的哈密顿量和一种新的蒙特卡罗模拟算法来模拟这种模型。结果表明，该结果与使用切开轴突技术从乌贼巨轴突中的蛙毒素修饰的钠通道获得的实验数据很好地匹配。
2008-12-22 physics.bio-ph physics.comp-ph
The role of ion channels in the transmission of signals along axons
本文提出二维电生理模型与轴突房室模型，分析离子通道及细胞参数对神经元响应和信号传导的影响，并揭示多峰传播中首峰速度恒定且更快。
2023-12-11 physics.bio-ph q-bio.NC
A Primitive Model for Predicting Membrane Currents in Excitable Cells Based Only on Ion Diffusion Coefficients
本研究提出一种仅基于离子扩散系数的可兴奋细胞膜电流预测原始模型，通过耦合电扩散过程实现钠通道自然启闭，无需经验电压门控参数即可匹配巨乌贼轴突实验数据。
2025-02-21 physics.bio-ph q-bio.CB
The free energy of biomembrane and nerve excitation and the role of anesthetics
在神经刺激的机电理论中，神经冲动由液体环境中的固体膜的行进区域组成。因此，刺激脉冲所需的自由能与在神经膜中诱导相变所需的自由能差直接相关。它是温度和压力的函数，并且敏感地依赖于降低熔融转变的麻醉剂的存在。我们研究了在麻醉剂的影响下固液膜相的自由能差。我们计算机电脉冲的刺激响应曲线，并将其与龙虾和神经轴突的刺激响应曲线进行比较。我们还比较了文献中发表的人类正中神经和青蛙坐骨神经的刺激反应实验。
2018-01-31 physics.bio-ph
Mechanical Surface Waves Accompany Action Potential Propagation
许多研究表明，轴突膜的机械位移伴随着定义动作电位（AP）的电脉冲。尽管有大量不同的实验证据，但对于这种机械波的物理基础以及它与电信号的相互依赖性，都没有理论共识。在这篇手稿中，我们提出了一个模型，这些机械位移所产生的驱动表面波模式，其中势能存储在弹性的神经元膜和细胞骨架，而动能进行的轴浆流体。在我们的模型中，这些表面波是由表征AP的电去极化的行波驱动的，改变了膜上的压缩静电力。这种驱动导致共同传播的机械位移，我们称之为动作波（AW）。我们的模型，这些AW使我们能够预测，在弹性常数，轴突半径和轴浆密度和粘度，AW的形状，应该伴随着任何行波的电压，包括AP预测的霍奇金和赫胥黎（HH）方程。我们表明，我们的模型作出的预测是一致的实验系统，包括鳄鱼的嗅觉神经和鱿鱼的巨大轴突的结果。我们希望我们的模型作为一个框架，了解这些AWs在神经生物学中的物理起源和可能的功能作用。
2014-10-05 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.NC
Nerves and Anesthesia: A physics perspective on medicine
我们提出了一个最近的理论，神经脉冲传播和麻醉，并认为神经活动和麻醉剂的作用可以理解的基础上简单的物理定律。实验发现，生物膜在低于生理温度时会从固态融化为液态。这种熔化过程对细胞膜的物理性质具有深远的影响。它们使机械脉冲（孤子）沿着神经轴突传播成为可能。在这些脉冲中，固相区域在液体神经膜中行进。这些脉冲显示与神经中的动作电位相关的许多特性。全身麻醉剂和局部麻醉剂都能降低膜的熔化温度。因此，它们使神经膜更难以兴奋。由于静水压力增加了融化温度，它抵消了麻醉。这一理论的优点是为著名的迈耶-奥弗顿相关性提供了一个简单的解释，该相关性指出，麻醉剂的有效性与其在细胞脂膜中的溶解度成正比。我们提供的证据表明，这一概念，如果也适用于局部麻醉。最后，我们表明，存在的转换有通道活动的影响，甚至可以出现在没有蛋白质。
2014-09-08 physics.bio-ph
Do ions have a coating in neuronal electrolytes under an electric field?
Kalimános Bt（Kalimános有限公司）
本研究探讨电场下神经元电解质中离子是否存在涂层，假设涂层改变离子尺寸，修改斯托克斯-爱因斯坦关系描述电场驱动漂移，结合Hodgkin-Huxley实验证实离子涂层状态与速度无关，为轴突冲动传播研究提供参考。
2026-07-31 physics.bio-ph
Non-Thermal Mechanism of Weak Microwave Fields Influence on Nerve Fiber
提出了弱微波场作用于神经纤维的非热机制。它示出，在约30 - 300 GHz的范围内，有强烈明显的共振与激励的超声波振动的膜作为结果与电磁辐射的相互作用。这些振动产生声压，其可导致蛋白质跨膜通道的重新分布，并且因此改变神经网络的轴突中的动作电位激发的阈值。分析了电磁微波辐射对髓鞘神经纤维的各个特定区域的影响：朗维尔结，以及所谓的初始段-神经元丘和覆盖有髓鞘层的轴突的第一部分之间的区域。结果表明，起始段是有髓神经纤维最敏感的区域，动作电位通常从该区域开始。
2013-05-23 physics.bio-ph
Low Frequency Sound Propagation in Lipid Membranes
近年来，我们已经表明，圆柱形生物膜，如神经轴突在生理条件下能够支持稳定的机电脉冲称为孤子。这些脉冲与神经冲动有许多相似之处，例如，传播速度以及测量的可逆热产生和厚度和长度的变化，这不能用传统的神经模型来解释。孤立脉冲传播的一个必要条件是非线性和色散的同时存在，即，声速对密度和频率的依赖性。非线性的先决条件是存在接近生理温度的链熔融转变。这种转变导致了弹性常数的密度依赖性，这可以很容易地通过实验来确定。频率依赖性更难确定。神经脉冲的典型时间尺度为1 ms，对应于高达1 kHz范围内的特征频率。由于所涉及的波长非常长，因此难以测量亚kHz范围内的色散。在这方面的贡献，我们从理论上解决的声速在脂质膜的分散，并将其与实验上可访问的弛豫时间通过使用线性响应理论。这最终导致孤子传播的微分方程的扩展。
2012-03-06 physics.bio-ph
The effect of electric fields on lipid membranes
与现有的理论模型相反，实验证据指出，电穿孔（在外部电场下的膜缺陷形成）开始发生在细胞可能常规经历的跨膜电压范围内，奇怪的是，刚好高于神经信号传输中涉及的跨膜电压范围。了解电场-脂质膜相互作用的基本原理似乎具有重要的生物学意义。通过使用DLVO理论来理解电穿孔的理论方面，这在电穿孔的背景下以前还没有被认识到。此外，分散的相互作用（与其量子性质），双层抗衡离子和膜脂质分子在斯特恩层被强调。这些力的符号是这样的，它们压缩膜。平行于薄膜理论。其论点是，外部电场打破了脂质膜两侧分离压力的对称性，导致只有少数脂质分子突出。这在纳米尺度上损害了膜的稳定性，并使其可被离子穿过。基于这些论点提出的估计与电穿孔实验和现有的数值模拟是一致的。
2006-12-30 physics.bio-ph
Non-thermal influence of a weak microwave on nerve fiber activity
本文介绍了一个简短的选择性审查的非热弱微波场对神经纤维的影响。对最近发表的实验结果进行了回顾和分析。提出了作者的理论，根据该理论，作为与微波辐射相互作用的结果，在约30 - 300 GHz的范围内存在与膜中的超声振动的激发相关联的强烈显著的共振。这些受迫振动产生声压，其可导致蛋白质跨膜通道的重新分布，从而改变神经网络的轴突中的动作电位激发的阈值。本文讨论了神经纤维双层脂膜的表面电荷问题。各种实验观察所考虑的影响进行了讨论。
2014-09-14 physics.bio-ph
Ultrasound vibrations of plant cells membranes: water lift in trees, electrical phenomena
离子流改变植物细胞膜上的电荷密度（电位），导致压缩细胞膜的库仑力和抵消胡克弹性力的不平衡。随着超声波和电磁辐射的产生，将导致膜的振动，直到建立新的平衡。这种振动导致声流，其功率足以使树木中的水上升，其脱气，植物中的cycloses和一些电现象等。这种现象解释了已知的树木中的超声噪声和韧皮部流中颗粒的重新分布的观察结果。已知的监督和植物解剖学的考虑导致在xilem和3倍更大的韧皮部中的声流的频率的估计的顺序为150-200 kHz。所提供的机制的检查可以通过调查植物的声辐射和电磁辐射来进行。关键词：工厂，超声波，声流，液压PACS：43. 25. Nm，43. 38.+ n，43.80。p，82.39.Jn，87.80.Vt
2006-11-14 physics.bio-ph
Natural electromagnetic waveguide structures based on myelin sheath in the neural system
有髓轴突上的动作电位的跳跃传播通常由朗维尔节点之间的局部电路离子电流流动的机制来解释。在这个框架下，髓鞘与多达100层的膜只作为绝缘壳。在有髓鞘的轴突上，动作电位的速度被测量为100 m/s，但在1 V/m电场中，离子在流体中的移动速度仅为100 nm/s。我们在这里展示的动作电位，在电磁（EM）脉冲的形式，可以在自然EM波导结构中传播的髓鞘合并在流体中形成的。传播时间主要消耗在朗维尔节点处触发电磁脉冲的持续时间上。结果清楚地揭示了轴突从无髓到有髓的进化过程，这通过增加髓鞘厚度显著提高了轴突的增殖效率。
2012-10-08 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.NC
A Mechatronics view at nerve conduction
刺激正在进行的讨论的相关性的机械运动的神经信号的传播，毛细血管波的水基电解质在弹性管状系统被认为是一个重要的成分。它们的传播速度，控制的弹性和几何形状的神经元膜以及密度的限制电解质，显示出非常好地匹配观察到的神经传导速度。由于毛细波包几乎不受阻尼并表现出非线性行为，它们可以传播孤子激发。在邻近弹性神经元膜的约1 nm薄层中，高达约1000万V/m的高电场对水偶极子的定向引起径向力，该径向力调节神经细胞的直径，同时引起细胞膜两端的电压偏置的变化，例如，例如，在一个实施例中，通过局部注入离子。像一个电驱动的蠕动泵一样，细胞体因此可以向轴突发射毛细波，轴突也可以传输由变化的偏压调制的中性偶极电流脉冲。在轴突的突触末端，这些偶极电流脉冲可以引起电压变化并启动化学信号。与传统的Hodgkin-Huxley神经传导模型相比，所提出的机制避免了电荷电流，因此具有低耗散。具体功能，可以进一步影响和验证提出的替代机制的神经传导进行了讨论。
2019-09-26 cond-mat.soft physics.bio-ph
Single-Molecule Imaging of Nav1.6 on the Surface of Hippocampal Neurons Reveals Somatic Nanoclusters
电压门控钠（Na $_\mathrm{v}$）通道负责大多数神经细胞中动作电位的去极化相，并且Na $_\mathrm{v}$通道定位于轴突起始段对于动作电位起始至关重要。胞体中的Na $_\mathrm{v}$通道在将轴突输出信息传递到神经元的其余部分和突触可塑性中起作用，尽管对Na $_\mathrm{v}$通道在该神经元隔室中的定位和动力学知之甚少。本研究使用单粒子追踪和光活化定位显微镜分析细胞表面Na $_\mathrm{v}$ 1.6培养海马神经元胞体内。单个轨迹的均方位移分析表明，体细胞Na $_\mathrm{v}$ 1.6通道的一半定位于直径为230 nm的稳定纳米簇$\sim$。引人注目的是，这些结构域在细胞膜上的特定位点稳定>30分钟，特别是通过不依赖于锚定的机制，表明Na $_\mathrm{v}$ 1.6纳米簇在胞体中维持的方式与轴突定位在生物学上不同。非聚集Na $_\mathrm{v}$ 1.6通道显示异常扩散，通过均方位移分析确定。高密度单粒子跟踪Na $_\mathrm{v}$通道标记的光活化荧光团结合贝叶斯推断分析，表征表面纳米团簇。观察到移动Na $_\mathrm{v}$ 1.6的亚群被瞬时捕获在纳米团簇中。据我们所知，体细胞Na $_\mathrm{v}$ 1.6纳米簇代表了一种新的Na $_\mathrm{v}$通道定位类型，并被假设为局部…
2016-09-22 physics.bio-ph
From modelling to understanding: the signals in nerves
本文回顾了过去十年神经信号传播的研究，提出一个描述无髓鞘轴突波集合的数学模型，并通过数值模拟验证其有效性，为复杂电生理过程的建模提供了指导原则。
2024-12-23 physics.bio-ph
The nanoscopic submyelin space mediates efficient K$^+$ uptake and shapes nodal action potentials
Utrecht University（乌得勒支大学）；Netherlands Institute for Neuroscience (NIN), an Institute of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences (KNAW)（荷兰神经科学研究所（NIN），荷兰皇家艺术与科学院（KNAW）下属研究所）
本研究通过有限元模型揭示髓鞘下间隙中Kir4.1通道介导的K$^+$预缓冲作用，钳制轴突周围K$^+$浓度，塑造结性动作电位，并解释了结旁K$^+$通道定位的进化优势。
2026-09-23 physics.bio-ph
A planar lipid bilayer in an electric field: membrane instability, flow field and electrical impedance
对于许多生物技术应用，更好地理解电场对脂质膜产生的影响将是有用的。本文综述了在正常直流或交流电场中平面脂质膜及其周围电解质的静电性质的几个方面。在平面几何形状中，电动方程的分析可以进行得相当远，允许解析地表征德拜层中的电荷积累的稳态和动态，这是由电场的应用引起的。对于在一个外加直流电场的导电膜，我们表征的弹性模量的修正，膜波动不稳定性的外观和相关的流量是建立在膜附近。对于在一个应用的AC电场中的膜，我们解析地从基本的电动力学方程推导出阻抗。我们讨论了不同的相关影响，由于膜的电导率或由于体扩散系数的离子。特别感兴趣的是膜仅对一种类型的离子具有选择性导电性的情况。这些结果，及其未来的扩展，应该是有用的阻抗谱数据的解释，用于表征，例如，离子通道嵌入在平面双层。
2011-02-22 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Nature of the Action Potential
本文提出各向异性和非均匀脑组织电场波传播理论，通过小参数展开推导出非线性动作电位模型，该模型平滑过渡至脉冲状态并展现多种分岔类型，克服了Hodgkin-Huxley模型的局限性。
2024-03-25 nlin.AO physics.bio-ph physics.class-ph
Analyzing the effects of surface distribution of pores in cell electroporation for a cell membrane containing cholesterol
本文提出了一种生物细胞膜在外加电场（即，电穿孔）。该模型与已建立的电穿孔模型在两个不同方面不同。首先，它将胆固醇（~20%摩尔分数）的存在纳入生物膜中。其次，它认为孔的分布是从细胞的一个区域到另一个区域的跨膜电位变化的函数。配方是基于膜张力和电力的作用，在细胞膜，这被认为是一个无限薄的绝缘体中的孔的形成。该模型已被用来探索的创建和演变的孔隙的过程中，并确定作为所施加的电场（幅度和持续时间）的函数的孔隙的数量和大小。结果表明胆固醇的存在通过改变膜张力来增强穿孔。分析表明，孔的数量和平均孔半径从电池的一个部分到另一个部分显著不同。虽然细胞膜的一些区域经历快速和密集的穿孔，但其他区域不受影响。该方法可以是一个有用的工具，更现实的预测孔形成的细胞进行电穿孔。
2008-03-01 physics.bio-ph
Electrical properties of polar membranes
生物膜是电容器，可以通过在膜上施加电场来充电。电容器上的电荷在膜上施加力，导致电致伸缩，即膜变薄。由于力是电压的平方，负电压和正电压对对称膜的物理性质具有相同的影响。然而，对于具有导致永久电极化的强度的不对称性的膜，情况并非如此。大小相同的正电压和负电压导致不同的性质。这种不对称性可能源于膜的两个单层上不同的脂质组成，或源于膜曲率。后一种效应被称为“挠曲电性”。作为永久极化的结果，膜电容器在不同于零的电压下放电。这导致了有趣的电现象，例如膜渗透性的向外或向内整流。在这里，我们介绍了一个广义的理论框架，对待电容，极化，挠曲和压电在同一语言。
2014-11-25 cond-mat.soft physics.bio-ph
The $(2 + δ)$-dimensional theory of the electromechanics of lipid membranes: I. Electrostatics
针对现有纯力学二维脂质膜模型无法描述电场耦合的问题，本文提出基于低阶谱展开的通用降维方法，构建考虑有限厚度的$(2+δ)$维脂质膜静电学理论，经多几何结构验证与三维理论吻合良好。
2023-01-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Electrohydrodynamic model of vesicle deformation in alternating electric fields
我们发展了一种分析理论来解释实验观察到的由AC电场诱导的巨囊泡的形态转变（1）。该模型将内部和悬浮介质视为有耗介质，而膜视为不渗透离子的柔性不可压缩流体片。囊泡形状通过平衡施加在膜上的电应力、流体动力应力和弯曲应力而获得。考虑到一个近似球形的囊泡，电流体动力学问题的解作为一个规则的摄动展开在多余的区域。该理论预测，固定囊泡变形取决于场频率和电导率条件。如果内部流体比悬浮介质更导电，则囊泡总是采用扁长的形状。在相反的情况下，囊泡在临界频率下经历了从长椭圆体到扁椭圆体的转变，该理论与膜充电时间的倒数一致。在高于逆麦克斯韦-瓦格纳极化时间的频率下，电流体动力学应力变得太小而不能改变囊泡的准球形静止形状。分析表明，向静止囊泡变形的演变强烈依赖于膜的性质，如粘度。该模型可用于合理化生物细胞在电场中的瞬态和稳态变形。
2008-11-12 physics.bio-ph
Theoretical Calculation of the Electric Field in the Vicinity of a Pore Formed in a Cell Membrane
生物细胞膜的电穿孔是在约1000 mV的跨膜电位下几乎普遍发生的现象。孔形成的理论已经基于电压缩（Crowley 1972，Malderelli和Steebe 1992）、局部膜缺陷（Abidor和Chizdhmazdev 1979，Weaver和Mintzer 1981，Sugar 1981）提出，并且统计模型由（Sowers和Lieber 1986）提出。然而，这些理论一般不导出孔内的电场的形式。在本文中，我们提出了一个观点，这是有用的描述生物膜。我们还推导出一个近似的功能形式的电场的区域中的孔形成的膜。
2002-06-11 physics.bio-ph q-bio.QM
Active matter as the underpinning agency for extraordinary sensitivity of biological membranes to electric fields
University of Houston（休斯顿大学）
本文提出非平衡统计力学模型，揭示活性物质如何使生物膜能检测极低电场，从而解释生物膜对电场异常敏感性的机制。
2025-01-02 cond-mat.soft physics.bio-ph
Instability of a fluctuating biomimetic membrane driven by an applied uniform DC electric field
本文研究直流电场下脂质膜的不稳定性，发现Debye层扰动电荷产生失稳的Maxwell应力，且浓度差增大可抑制不稳定性，与漏电介质模型预测不同。
2025-10-09 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Heat of Nervous Conduction: A Thermodynamic Framework
神经传导的早期记录揭示了与电信号相关的显著的热特征。所观察到的热量产生和随后的吸收是由动作电位传导期间在细胞膜水平发生的物理化学过程引起的。特别是，可逆释放的电能储存为跨细胞膜的电位差，似乎是一个简单而一致的解释热生产，提出了“冷凝器理论。“然而，冷凝器理论还没有被分析超出细胞膜和平行板电容器之间的类比，即冷凝器，它不能解释热信号的大小。在这项工作中，我们使用一个详细的静电模型的细胞膜重温电容器理论。我们推导出的自由能和熵的变化与膜的去极化的动作电位，这给出了一个直接的措施，由神经元产生和吸收的热量的表达式。我们展示了膜两侧的表面电荷密度如何影响能量变化。最后，考虑到一个典型的动作电位，我们表明，如果膜持有的表面电荷的偏置，使膜的内侧是0.05 C m $^{-2}$更负比外侧，该模型预测的热量的大小达到实验值的范围。基于我们的研究，我们确定了在神经传导过程中，神经元产生和吸收热量的主要机制是膜的电能变化。
2019-08-08 physics.bio-ph
Frequency-dependent electrodeformation of giant phospholipid vesicles in AC electric field
描述了囊泡电变形的模型，该模型通过使膜弯曲能和由于电场引起的能量的总和最小化来获得参数化囊泡形状。囊泡膜和囊泡内外的水性介质都被视为渗漏的囊泡，囊泡本身被建模为封闭在薄膜内的近似球形。它表明：（a）该模型实现了一个很好的定量协议与实验确定的长扁过渡频率在kHz范围内，和（b）该模型可以解释的相图的形状的巨大磷脂囊泡相对于两个参数：所施加的AC电场的频率和囊泡内部和外部的水性介质的电导率的比率，在最近的一篇论文中（S。Aranda等人，Biophys. J. 95：L19-L21，2008）。磷脂囊泡的频率依赖性的形状转变的微升样品的电导法中的一个可能的用途进行了讨论。
2010-01-29 physics.bio-ph
Tracking of plus-ends reveals microtubule functional diversity in different cell types
许多细胞过程与微管（MT）的动力学密切相关。虽然在神经元轴突中，MT主要调节细胞内运输，但它们在许多其他真核细胞中参与细胞骨架重组，使细胞能够有效地适应环境的变化。我们发现，在不同的细胞类型和区域的MT的功能差异反映在MT提示的动态特性。使用加端跟踪蛋白EB1监测不断增长的MT加端，我们发现，MT动力学和生命周期在人类神经元轴突显着不同的成纤维细胞。正端密度以及拯救和灾难频率增加，而生长速率向成纤维细胞边缘降低。这导致相当稳定的丝状网络结构，并保持细胞核和膜之间的连接。与此相反，正端均匀分布沿轴突，并表现出不同的聚合运行时间和空间均匀的救援和灾难频率，导致MT段的各种长度。聚合的漂移长度和MT长度的概率分布都遵循近指数尾，与MT动力学的两态模型的分析预测一致。
2017-12-17 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Genesis of a Horizontal Electric Field within the Lipid Bilayer: A Bilayer-Embedded Actuation Platform
Laboratory for Nanoelectronics and Spintronics, Research Institute of Electrical Communication (RIEC), Tohoku University（东北大学电气通信研究所纳米电子与自旋电子学实验室）；Graduate School of Biomedical Engineering, Tohoku University（东北大学生物医学工程学院研究生院）；School of Mechatronical Engineering, Beijing Institute of Technology（北京理工大学机电学院）；Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR), Tohoku University（东北大学材料研究高等研究院）；Department of Molecular Neuroscience, Faculty of Medical Sciences, University of Fukui（福井大学医学科学部分子神经科学系）；Life Science Innovation Center, University of Fukui（福井大学生命科学创新中心）
本文提出一种生物电子平台，可控制生成脂双层中性层的水平电场，研究其对电压门控钾通道的影响及在生物膜电场中的应用。
2026-04-08 physics.bio-ph
Solution Poisson-Boltzmann equation: Application in the Human Neuron Membrane
在以前的工作中已经证明，描述电势的空间依赖性的方程由泊松-玻尔兹曼方程的解确定。在这项工作中，我们考虑这些解决方案的膜的人神经元，使用简化的模型，考虑在膜的每一侧的电解质的分布，以及糖萼和双分子层的影响，这种结构。假设在膜的两侧，电荷均匀分布，并且电势仅取决于坐标z。
2008-09-29 physics.bio-ph
Lipid membrane instability and poration driven by capacitive charging
提出了一种新的电脉冲与脂质膜相互作用的模型。使用这个模型，我们表明，当直流电脉冲施加到绝缘脂质膜分离具有不同电导率的流体，通过膜的电容充电电流驱动电流体动力学流动，使膜不稳定。这种不稳定性是短暂的，并随着膜电荷的增加而衰减。体电导率失配在这种不稳定性中起着至关重要的作用，因为它导致膜的物理表面上的电荷积累的不同速率。只要电荷不平衡存在，由电场作用于其自身的感应自由电荷而产生的剪切应力就是非零的。因此，最不稳定的模式与膜充电时间和电流体动力学时间的比率有关。
2010-05-03 cond-mat.soft physics.bio-ph
Undulation instability in a bilayer lipid membrane due to electric field interaction with lipid dipoles
双层脂质膜（BLM）是所有生物系统的重要组成部分，形成细胞和细胞器与周围环境的功能屏障。形成膜的脂质分子含有永久性和诱导性偶极，当横向场足够强时，电场可以诱导孔的形成（电穿孔）。在这里，一个现象学的自由能被构造来模拟BLM对横向静态电场的响应。该模型包含一个连续描述的膜偶极子和头群偶极子和膜倾斜之间的耦合。膜被发现变得不稳定，通过屈曲模式，这是弱耦合到膜的厚度波动。厚度波动，随着膜屈曲产生的界面面积的增加，增加了局部膜破裂的可能性，这可能导致孔的形成。的不稳定性被发现强烈依赖于偶极头基和膜倾斜之间的耦合的强度，以及偶极有序的程度在膜。
2010-05-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Flexoelectric fluid membrane vesicles in spherical confinement
对球形限制性弯电流体膜囊泡在外加均匀电场中的形态进行了数值研究。由于限制引起的变形，膜变得极化，导致与外部场的相互作用。在没有电场的情况下，囊泡的平衡形状可以在几何相图中分类为缩放面积和缩减体积的函数[1，2]。当膜的面积仅略大于限制球的面积时，出现单个轴对称内陷。非零电场诱导受限囊泡的额外伸长，其取决于电场参数的符号是垂直的或平行的。表面积或电场参数的较高值可降低系统的对称性，导致更复杂的折叠。我们提出了由此产生的形状，并表明，过渡线转移的存在下，一个电场。所获得的折叠模式可能是生物物理和技术应用的兴趣。
2020-06-08 cond-mat.soft physics.bio-ph
Comparing ion conductance recordings of synthetic lipid bilayers with cell membranes containing TRP channels
在这篇文章中，我们比较电导事件从单通道记录的三个TRP通道蛋白（TRPA 1，TRPM 2和TRPM 8）在人胚肾细胞中表达的合成脂质膜上记录的通道事件接近熔化过渡。来自TRP家族的离子通道参与各种感觉过程，包括热和机械接收。接近相变的合成脂质膜显示通道样事件，其响应于与诸如压力和温度的密集热力学变量的变化相关的刺激。TRP通道活性的特征在于依赖于表达的蛋白质类型的电流事件的典型模式。合成的脂质双层显示了广泛的电现象，被认为是典型的蛋白质离子通道的活性。我们发现单一的电流，突发行为，闪烁，多步电导，和尖峰行为在这两个准备。此外，我们报告的电导和寿命的脂质通道所描述的蛋白质通道。在这两个系统中看到的非线性和不对称的电流-电压关系。在没有进一步了解记录条件的情况下，很难判断短电流迹线是来自通道蛋白还是来自纯脂质膜
2011-11-14 physics.bio-ph
On axoplasmic pressure waves and their possible role in nerve impulse propagation
有人建议，传播的动作电位是伴随着轴浆压力脉冲传播的轴浆沿轴突长度。压力脉冲拉伸调制嵌入轴突膜中的电压门控Na（Nav）通道，导致其加速激活和失活并增加峰值通道电导。因此，动作电位传播是由于离散离子电流和轴浆压力脉冲对Nav通道的机械-电激活。这种传播的速度高于经典的纯电Nav激活机制，并且它可能接近轴质中压力脉冲的传播速度。在电压尖峰期间流入的细胞外Ca离子，或从细胞内储存释放的Ca离子，可以触发产生和增强压力脉冲的机制，从而对抗其粘性衰减。该模型可以潜在地解释一些不包含在纯粹的电学Hodgkin-Huxley型框架中的现象：麻醉剂有效性的Meyer-Overton规则，以及伴随动作电位的各种机械，光学和热力学现象。结果表明，轴浆压力脉冲的传播速度接近神经冲动的测量速度，无论是在绝对大小和依赖于轴突直径，髓鞘形成程度和温度。
2010-06-07 physics.bio-ph physics.flu-dyn physics.med-ph
Modifications of the Dielectric Properties of Biological Membranes by Heating
已知生物细胞悬浮液由于Maxwell-Wagner机制而显示出介电分散。Schwan [7，9，10]在许多论文中总结了许多例子。通过对介电色散的适当分析，可以估计与原生质和细胞膜相关的电相位参数。Pauly和Schwan [7]提出了一种界面极化的介电理论，适用于被导电性差的外壳（质膜）覆盖的导电颗粒（原生质）悬浮液，该理论适用于低体积分数的悬浮颗粒（小于约0.2）。利用Pauly和Schwan的理论研究了热处理后酵母细胞质膜介电常数的变化。
2004-04-28 physics.bio-ph
Tension moderation and fluctuation spectrum in simulated lipid membranes under an applied electric potential
我们研究了拉伸条件下施加电势对粗粒POPC双层膜力学性质的影响。我们模拟的规模和持续时间允许对波动进行详细和准确的研究。详细研究了涨落谱、张力、抗弯刚度和双层膜厚度对膜结构的影响。特别地，最小二乘拟合技术被用于计算起伏谱。模拟证实了最近提出的理论，即膜上施加的电势的效果将由膜的弹性特性来调节。与理论一致，我们发现初始张力越大，电势的影响越大。电势的应用增加了光谱的长波长部分的振幅，并且从短波长波动推导出弯曲刚度。施加的电势对弯曲刚度的影响在误差条内不存在。然而，当膜被拉伸时，存在由于膜的厚度减小而使弯曲刚度降低的点。所有这些影响应该证明是重要的机械敏感通道和生物膜力学一般。
2013-11-08 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Diffuse-charge dynamics across a capacitive interface in a DC electric field
本文用零厚度电容界面与 PNP 方程研究直流电场下分隔不同电解质浓度溶液的平面膜充电动力学，并在薄 Debye 层、弱场极限给出渐近解。
2025-02-17 cond-mat.soft physics.bio-ph
Negative capacitance and related instabilities in theoretical models of the electric double layer and membrane capacitors
各种模型导致预测的负电容，C，简要回顾。讨论了它们与电气控制性质的关系。我们再次确认，计算的双电层电容可以是负的S-控制下-一个人工构造，需要均匀分布的电极表面电荷密度，S。结果表明，即使对于具有严格正扩散层电容的局部统计离子模型，离子和电子贡献的联合弛豫也可以导致C<0。然而，实际上，在隔离电池研究中，只有总电荷q（或平均表面电荷密度S）可以通过实验固定（q控制）。对于在S控制下C变为负值的那些S，向q控制的转变（即，放宽横向电荷密度分布，将其平均值固定到S）导致均匀分布的不稳定性和向非均匀相的转变。作为一个例子，“膜电容器”模型进行了讨论。这个完全可解的模型，允许均匀和不均匀的双电层松弛，有助于证明发病和一些重要的功能的不稳定性。进一步发展的前景进行了简要讨论。
2005-03-02 physics.bio-ph physics.chem-ph
Stochastic Dynamics of Electrical Membrane with Voltage-Dependent Ion Channel Fluctuations
建立了Hodgkin-Huxley（HH）电化学膜系统的布朗棘轮随机理论。该系统的特征在于一个连续变量$Q_m(t)$，代表移动膜电荷密度，和一个离散变量$K_t$代表离子通道构象动力学。当多个导电离子有一个共同的反转电位时，得到一个能斯特-普朗克-奈奎斯特-约翰逊平衡。细致平衡产生了以前未知的通道转换速率和膜电容之间的关系，绕过Eyring型显式处理的门控电荷动力学。从分子结构的角度来看，膜电荷$Q_m$是一个更自然的动态变量比潜在的$V_m$ ;我们的形式主义对待$Q_m$依赖的构象转变速率$λ_{ij}$作为内在参数。因此，原则上，$λ_{ij}$与$V_m$是实验方案依赖性的，例如，不同于电压或电荷箝位测量。对于恒定的膜电容每单位面积$C_m$和忽略膜电位引起的门控电荷，$V_m=Q_m/C_m$，HH的形式主义恢复。两种类型的离子的存在下，具有不同的通道和反转电位，引起一个非平衡稳态与正熵产生$e_p$。对于快速波动的通道，获得了$e_p$的表达式。
2014-04-06 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.SC
Structure and Electrical Properties of DNA Nanotubes Embedded in Lipid Bilayer Membranes
通过脂质双层膜工程化合成纳米孔以进入细胞内部是生物技术中长期存在的挑战。在这里，我们证明了基于瓦的6-螺旋DNA纳米管（DNT）嵌入POPC脂双层的稳定性和动力学使用0.2微秒长的平衡MD模拟轨迹的分析。我们观察到，靠近管腔的脂质分子的头部基团合作地向DNA的亲水性糖-磷酸骨架倾斜，并在膜中突出的DNT补丁周围形成环形结构。此外，我们探讨了离子浓度对脂质-DNT复合物的溶液结构和稳定性的影响。通过对恒电场MD模拟的跨膜离子电流的测量，得到了脂质膜中充水DNT腔的I-V特性。随着盐浓度的增加，多孔DNT管腔的跨膜离子电导的测量值从4.3 nS变化到20.6 nS。在孔的口处具有ssDNA和dsDNA突出端的DNT的模拟显示了门控效应，对于打开和关闭状态的纳米孔，跨膜离子电导率具有显著差异。
2017-10-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Spatiotemporal dynamics of ionic reorganization near biological membrane interfaces
本研究通过理论和模拟揭示跨膜局域化离子泵产生长程电场，其传播速度远超扩散，对生物信号传导具有重要意义。
2024-07-16 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Electrochemical response of biological membranes to localized currents and external electric fields
本文通过匹配渐近展开分析脂质膜-电解质系统中离子通道电流与外部电场耦合的多尺度电化学响应，推导出跨膜电位的闭式表达式，并用等效电路描述长时间行为，揭示了屏蔽与受限效应在生物系统中的影响。
2025-08-19 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.SC
Large deformation electrohydrodynamics of an elastic capsule in DC electric field
研究了在均匀直流电场作用下，一个含有牛顿流体的球形弹性胶囊在一个弹性膜和另一个牛顿流体中的动力学行为。诸如内部和外部流体介质的电导率以及膜的电容和电导率的电特性的不连续性导致净界面麦克斯韦应力，其可以引起这种弹性胶囊的变形。我们调查这个问题，考虑良好的膜法律薄的弹性膜，充分解决流体力学的斯托克斯流量限制和描述的静电使用的电容器模型。在小变形的极限下，解析理论对动力学的预测相当令人满意。然而，在高毛细管数下的大变形需要数值方法（在本例中为边界元法）来解决这个高度非线性的问题。类似于囊泡，在中间时间，高度非线性的双凹形状以及正方形和六边形的形状时，观察到外部介质更导电。该研究确定的重要性，如高膜电容，低膜电导，低流体动力学时间尺度和高毛细管数观察这些形状转变的参数。过渡是由于大的压缩麦克斯韦应力在两极在中间时间。因此，这种形状转变可以在允许电容的球形小球中看到，可能与界面回复力的性质无关。
2017-08-29 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Surface Waves and Axoplasmic Pressure Waves in Action Potential Propagation: Fundamentally Different Physics or Two Sides of the Same Coin?
Department of Anatomy and Neurosciences, Amsterdam UMC Amsterdam Neuroscience（阿姆斯特丹大学医学中心阿姆斯特丹神经科学解剖与神经科学系）
本文指出，动作电位传播中的表面波与轴浆压力波模型本质上描述同一物理过程，需澄清以提升对动作电位现象的理解。
2026-01-09 physics.bio-ph q-bio.NC
Energy Harvesting from a bio cell
这项工作通过实验展示了如何直接从细胞膜电位中获取电能，并用于为无线通信供电。本实验是利用非洲爪蟾卵母细胞的膜电位进行的。膜的电势能通过适当的电路转移到与电池连接的电容器。一旦电容器已经达到计划的能量量，电路就从电池断开，并且所存储的能量被用于为射频通信供电，该射频通信将生物感测的信息传送到远距离的接收电路。我们的研究结果表明，电能可以直接从生物细胞中获得，并用于多种目的，包括将感测到的生物量无线通信到远程接收集线器。
2018-12-08 physics.app-ph physics.bio-ph
A Teflon-based system for applying multidirectional voltages to lipid bilayers as a novel platform for membrane proteins
人工双层类脂膜（BLM），以及膜片钳膜，经常用于膜蛋白的功能分析。在这两种方法中，膜的电特性仅由一个参数表征，即跨膜电位。本文报道了一种新型的BLM系统的构建，该系统除了传统的跨膜方向外，还可以在横向方向上控制膜电压。在聚四氟乙烯薄膜上制作了一个微孔，并在微孔周围蒸镀了钛电极。在孔中可再现地形成BLM，而不受电极存在的影响。横向电压的应用不会引起BLM的电特性，如基线电流，跨膜电阻和跨膜电容的显着变化。相反，横向电压明显影响生物离子通道的活动，这表明横向电压可能是一个有用的参数，用于分析通道活动。目前的聚四氟乙烯为基础的系统，其中多向电压可以施加到BLM代表一个很有前途的平台，用于分析膜蛋白的基本功能特性。
2019-07-12 physics.app-ph physics.bio-ph
Electroporation of Biological Cells Embedded in a Polycarbonate Filter
每当施加的场超过阈值时，通过施加外场发生生物细胞膜的电透化。对于高于该阈值但小于另一临界值的场，膜中形成的孔是瞬时的或可逆的。已经提出了几种机制，这些瞬态孔的形成。在这里，我们研究的本地电场产生的配置嵌入在聚碳酸酯过滤器中的细胞，无论是在该地区的孔隙和周围。我们考虑由于沿膜表面的场的梯度而在膜中产生的剪切力，以及膜中的带电分子与该场的相互作用。推导出了电场强度与所形成孔隙大小的关系。
2003-08-04 physics.bio-ph q-bio.QM
SERS study of single-live-cell electrical permeabilization dynamics via plasmonic nanotubes
University of Oulu（奥卢大学）；Institute of Modern Physics Chinese Academy of Sciences（中国科学院近代物理研究所）；Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory（先进能源科学技术广东省实验室）；Istituto Italiano di Tecnologia（意大利理工学院）
本研究构建了带SERS功能的等离子体纳米管平台，监测单个活细胞电透化动力学，证实其可诱导质膜局部透化并追踪膜恢复，为单细胞分析等提供新方法。
2026-08-17 physics.app-ph physics.bio-ph
Voltage dependence of Hodgkin-Huxley rate functions for a multi-stage K channel voltage sensor within a membrane
在电压箝位期间在两个连续阶段中激活$K^+$沟道传感器可以被描述为布朗粒子在状态之间具有两个大势垒的能量景观中的移位。用于S4电压传感器的势函数的方阱近似的Smoluchowski方程的解满足主方程，并且具有可以根据前向和后向速率函数确定的两个频率。当较高频率项具有小幅度时，解简化为速率方程的松弛，其中导出的两状态速率函数取决于每个阶段的前向速率（$α$和$γ$）和后向速率（$β$和$δ$）的相对幅度。特别地，可以通过假设第一级的速率函数相对于第二级的速率函数-- $α\gg γ$和$β\gg δ$--大来导出$K^+$通道的Hodgkin-Huxley速率函数的电压依赖性。对于{ \em Shaker} IR $K^+$通道，第一向前和向后转变是速率限制的（$α< γ$和$δ\ll β$），并且对于具有两个或三个阶段的激活过程，导出的两状态速率函数也具有与针对鱿鱼轴突确定的形式类似的电压依赖性。两级$K^+$离子通道和非失活$Na^+$离子通道之间相互作用产生的电位变化，在$K^+$离子通道活化时间较小时，由$K^+$离子通道活化的主方程和离子电流方程决定，如果$β\ll δ$和$α\ll γ$同时存在，系统可能在尖峰之间表现出小幅度振荡，或混合模式振荡。
2014-10-21 physics.bio-ph q-bio.NC
Deformation of a biconcave-discoid capsule in extensional flow and electric field
除了理解红细胞（RBC）在血流中的行为之外，双凹盘状（红细胞的经验形状）胶囊在生物流体动力学和流变学领域中有许多应用。因此，进行了详细的分析，以了解单轴拉伸流和电场的RBC和双凹盘状聚合物胶囊在轴对称制度的变形的影响。采用Stokes流的轴对称边界积分方法，以Skalak膜本构关系作为区域不可压RBC/双凹盘状囊膜的模型，数值计算了瞬态变形。当弹性能被粘性或麦克斯韦电应力克服时，观察到显著的双凹盘状到长球形的转变。此外，膜应力的意义，在变形过程中，并在稳定状态和不同的变形模式。这项研究将有助于设计一个在电场作用下的生物细胞人工系统。
2018-02-11 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Membranes by the Numbers
细胞中许多最重要的过程都发生在膜上或跨膜进行。随着一系列强有力的定量方法的出现，这是一个从生物学计算的角度来反思膜的结构和功能的好时机。为此，在这篇文章中，我回顾了表征膜的机械，电气和传输特性的定量参数，并进行了一些相应的数量级估计，帮助我们了解这些参数的值。
2017-03-06 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Solitary electromechanical pulses in Lobster neurons
神经活动的研究主要集中在电现象上。然而，神经是热力学系统，并且在动作电位期间也可以观察到神经的温度和尺寸的变化。在动作电位过程中的热变化的测量表明，神经脉冲与绝热脉冲有许多共同的特征。20世纪80年代的第一个实验表明，在动作电位过程中，神经厚度和长度会发生微小的变化。这些发现导致了这样的建议，即动作电位可能与机电孤子无耗散传播。然而，他们一直没有现代的尝试来研究神经中的机械现象。在这里，我们提出了超灵敏的原子力显微镜记录的机械变化的顺序为2 - 12毫米的巨型轴突的龙虾。我们发现，神经厚度的变化与电压的变化相。当在同一轴突的两端受到刺激时，相互碰撞的动作电位会相互穿过而不会湮灭。这些观察结果与神经冲动的机械解释是一致的。
2016-01-20 physics.bio-ph q-bio.NC
