Interpretation on thermal comfort mechanisms of human bodies by combining Hodgkin-Huxley neuron model and Pennes bioheat equation

There is an electric voltage difference across the axonal membrane. Information is carried over the axon in the form of rapid changes in this voltage difference. The action potential travels rapidly along the axon from the neuron cell body toward the distal portion of the axon. Many investigators have studied the phenomenological events associated with membrane excitation due to various external electrical signals. But few efforts were made to test the thermal effect on neuron response in vivo and thus to develop its engineering implementations. This study proposed a novel strategy for evaluation of physiological comfort of biological bodies subject to a specific thermal environment using the self-sustained oscillation of action potentials in neuron. Unlike the traditional way of using the thermal balance equation to evaluate the thermal comfort, this new approach fundamentally correlates the major variables such as neuron excitation, air temperature and velocity, biological activity level, body metabolism, healthy state and an individual’s response to those climatic factors. We deduce a general simple criterion (Thermal Comfort Degree TCD) to assessing the thermal comfort.ZusammenfassungDurch eine schnelle Variation der zwischen den beidseitigen Axialmembranen von Nervenzellen bestehende Spannungsdifferenz werden die Informationen übertragen. Das bestehende Spannungspotential wird schnell entlang des Axons vom Zellkörper zum distalen Ende des Axons übertragen. Diverse Untersuchungen haben aufgezeigt, dass diese Erscheinung mit der Aktivierung der Membrane durch das äußere Elektrosignal verbunden ist. Hingegen wurde bisher nur wenige Untersuchungen vorgenommen, um den thermischen Effekt der Reaktion der Nervenzelle zu erfassen und damit deren Bedeutung für die ingenieurtechnische Anwendung. Diese Arbeit stellt hierzu eine neue Methode vor, um die Behaglichkeit von Lebewesen in einer bestimmten thermischen Umgebung durch Betrachtung der Schwingfrequenz des auftretenden Spannungspotentiale im Nerv auszuwerten. Im Gegensatz zu der Auswertung der thermischen Behaglichkeit mit Hilfe der thermischen Gleichung werden die vielfältigen Parameter nach der neuen Methode entsprechend der vielfältigen Umgebungsbedingungen berücksichtigt, die aus der Aktivierung der Nerven durch Temperatur, Luftgeschwindigkeit, Ausmaß der biologischen Nervenaktivierung, dem Körpermetabolismus und des Gesundheitszustands des Individuums entstehen. Die thermischen Behaglichkeit wird durch ein einfaches Kriterium, dem thermischen Behaglichkeitsgrad TBG erfaßt.

轴突膜两侧存在电压差。信息以这种电压差的快速变化形式在轴突上传递。动作电位从神经元细胞体沿轴突迅速向轴突远端传播。许多研究人员研究了由各种外部电信号引起的与膜兴奋相关的现象学事件。但是很少有人努力测试热对体内神经元反应的影响，从而开发其工程应用。本研究提出了一种利用神经元动作电位的自持振荡来评估生物机体在特定热环境下生理舒适度的新策略。与使用热平衡方程评估热舒适度的传统方法不同，这种新方法从根本上关联了诸如神经元兴奋、气温和风速、生物活动水平、身体新陈代谢、健康状态以及个体对这些气候因素的反应等主要变量。我们推导出一个通用的简单标准（热舒适度TCD）来评估热舒适度。 总结 通过神经细胞两侧轴突膜之间存在的电压差的快速变化来传递信息。现有的电位沿轴突从细胞体迅速传递到轴突的远端。各种研究表明，这种现象与外部电信号对膜的激活有关。然而，到目前为止，只有少数研究是为了了解神经细胞反应的热效应以及其对工程应用的意义。这项工作为此提出了一种新方法，通过观察神经中出现的电位的振荡频率来评估生物在特定热环境中的舒适度。与借助热方程评估热舒适度不同，根据新方法，会根据由温度、空气流速、生物神经激活程度、身体新陈代谢以及个体健康状态引起的各种环境条件来考虑多种参数。热舒适度通过一个简单的标准，即热舒适程度TBG来衡量。