太赫兹单极脉冲包络对细胞膜通讯相关变量的调控机制及其在人工智能中的应用研究

本研究针对人工智能(AI)在脑机通讯中信息传输速率不足的瓶颈问题，通过建立包含亲水孔道和Na+, K+-ATPase的细胞模型，系统研究了太赫兹单极皮秒脉冲包络信号对膜电位变化率、离子流及能量消耗的影响。发现0.8 THz脉冲能通过包络信号调控膜电位变化率，并在激活亲水孔道后影响离子流变化率，同时保持10?11 W量级的低功耗，为开发新型脑机接口技术奠定理论基础。

　　

当前人工智能在脑机通讯领域面临重大挑战：现有技术的实时信息传输速率难以满足全脑信息处理需求（超过100 Gb/s），而生物神经系统却能以极低功耗实现高效信息处理。这一矛盾的核心在于对细胞膜信息传输机制的认知不足。近年研究发现，太赫兹波能激活神经细胞膜关键离子通道，且髓鞘可作为太赫兹频段的介电波导，这为揭示生物智能的物理机制提供了新思路。

研究人员通过建立包含亲水孔道和Na⁺, K⁺-ATPase的细胞模型，采用有限时域差分法求解球形坐标系下的拉普拉斯方程，系统研究了高斯、梯形和矩形包络的0.8 THz单极皮秒脉冲（脉宽6 ns）对细胞膜通讯变量的影响。关键技术包括：1）构建包络调制信号数学模型；2）基于Poisson-Nernst-Planck模型的离子流计算；3）Neu-Krassowski亲水孔道激活模型；4）Na⁺, K⁺-ATPase动力学分析。

膜电位受包络信号调控

在未激活亲水孔道时，膜电位变化率完整复现刺激包络形态（高斯/梯形/矩形）。当电场强度达2×10⁷ V/m激活孔道后，变化率基线出现非零调制，如θ=π处高斯包络叠加正向衰减基线（图3B），反映孔道离子流I_p的调制作用。

亲水孔道离子流携带包络信息

Na⁺经孔道流动在激活后呈现包络特征，如3.68×10⁷ V/m刺激下θ=0处离子流变化率保留部分高斯包络（图6A），且叠加由膜电位衰减导致的负向基线。

Na⁺, K⁺-ATPase与包络无关

该离子泵流动主要反映刺激幅度效应，在3.68×10⁷ V/m时θ=0处出现抑制效应导致的逆向峰（图8C），但各包络类型下变化规律相似。

功耗稳定在极低水平

不同包络刺激下Na⁺, K⁺-ATPase平均功耗均维持在10^?11 W量级（图10），表明信号调制不影响能量效率。

这项研究首次阐明太赫兹脉冲包络可通过膜电位变化率向细胞传递信息，同时保持生物兼容的低功耗特性。其意义在于：1）揭示电磁信号编码为生物电信号的新机制；2）验证太赫兹作为脑机通讯载体的可行性；3）为开发基于电磁调制的神经接口技术提供理论框架。研究结果发表在《Research》期刊，将推动人工智能与生物智能的深度融合。