电磁辐射下神经元放电模式及其环状耦合同步研究

鉴于外部磁场会对神经元放电活动产生影响,讨论了具有磁场作用的四变量ML(Morris and Lecar)神经元模型,利用快慢动力学揭示了其簇放电类型及分岔过程,并分析了随磁通反馈系数变化时系统放电行为. 同时以三个环状耦合神经元模型为例,通过定义同步判断标准——互相关系数和快慢变量的极大同步差,发现耦合神经元在磁场作用下,很小的耦合强度就可使系统从混沌状态转迁到周期放电模式并能诱导神经元完成从互不相关到簇放电同步再到峰放电同步的转迁. 且在合适的双参数范围内,适当耦合强度下系统更容易实现同步,有助于理解在适当耦合连接方式下电磁辐射对神经网络集群放电活动的影响及其同步机理.     

电磁感应下胰腺β细胞的放电及同步分析

细胞内外离子的变化会影响细胞膜电位的变化,产生电磁场的分布.以胰腺β细胞神经元为基础,建立一个由忆阻器实现神经元的磁通量与膜电位之间耦合的四维神经元模型.分析了反馈增益k 1对胰腺β细胞放电模式的影响,得到了不同分岔行为及相应条件.对神经元添加相应外部电刺激Ie xt,考察了其对神经元放电模式的影响,选择合适的参数,进行数值模拟,结果表明系统存在加周期分岔,逆加周期分岔与倍周期分岔之间相互转换,呈现静息态-周期峰-混沌-周期簇放电模式的转迁.分析了磁通耦合胰腺β细胞的同步特性,利用同步差原理,推导出了系统达到同步状态的条件.同时对系统进行双参数分析,分析结果表明,当系统处于弱耦合强度时,随着耦合强度的增加,系统将逐渐达到同步状态,说明在弱耦合强度下增大耦合强度对系统的同步有促进作用.继续增加耦合强度达到一定范围反而不能促进系统达到同步,验证了耦合强度与系统达到同步的关系.     

胰腺β细胞的簇放电分析及其同步研究

簇放电是在胰岛分泌胰岛素时主要的放电模式.考虑具有代表性且较为简单的Sherman模型,对以下问题进行了研究:首先,应用快慢动力学分析研究了锥形和方波形簇放电模式的动力学性质;其次,利用常微分方程的定性与分岔理论的知识,探讨了与静息状态和放电状态相关的分岔点的性质,主要分析了平衡点的Hopf分岔;最后,研究了2个相互电耦合簇放电的胰腺β细胞之间的同步性转变.数值结果表明:改变耦合强度和慢时间常数都可以引起复杂的同步状态转迁变化.一个有趣的发现是,只要耦合强度适当,耦合β细胞总是可以达到完全同步状态.     

一类神经元模型的放电行为与同步研究

以磁通e-HR神经元模型为基础,基于理论分析与数值仿真相结合的方法,首先分析了磁通e-HR神经元模型的放电行为,发现该神经元模型存在隐藏的极限环吸引子.通过双参数分岔分析观察到,系统具有倍周期和无混沌伴随的加周期等典型的放电行为.设计了自适应同步控制器,研究了时滞对电突触耦合的磁通e-HR神经元模型达到同步的影响.当时滞和耦合强度取一定值时,给从系统施加非线性控制器,从系统在控制器作用下与主系统达到同步.     

基于场耦合的神经网络放电特性影响因素

神经网络放电特性是决定脑电位变化规律的重要因素.除化学突触作用,磁耦合对其他神经元放电特性的影响成为了近年的研究热点.然而,目前的研究只考虑放电神经元膜电流在空间产生的磁耦合,没有考虑其电学自突触电流产生的磁场作用.基于场耦合理论,充分考虑放电神经元的电学自突触电流对空间磁场的作用,根据神经元Hindmarsh-Rose(H-R)等效模型,构建仅含磁耦合作用的链式神经网络模型.通过模型研究刺激频率、距离权重、场耦合强度和电学自突触增益等因素变化对神经网络放电特性的影响规律.结果表明:①随着刺激频率从零开始增加,神经网络的放电状态呈现从"抑制"到"放电"再到"抑制"的"窗口"变化特性;②神经元网络的同步程度均随磁耦合强度和距离权重的增加而增强;③无论正、负反馈,放电神经元的电学自突触作用均能改变神经元网络的放电特性,其中正反馈的影响更显著;④电学自突触增益大于零时,同步程度随增益增大而提高.研究结果进一步表明磁耦合是实现神经元之间信号传递的一个重要方式,其中电学自突触电流的磁耦合作用不可忽视.说明神经突触的化学作用如果失效,由放电神经元膜电流和其电自学突触电流共同产生的磁场也可能引起其他神经元膜电位超过阈值而放电.     

Ghostburster模型鞍结分岔点附近放电模式的转迁控制

在不同的电流刺激下,ghostburster模型表现出周期放电、混沌簇放电、周期簇放电等多种放电模式.其中,周期放电和混沌簇放电之间的转迁是通过极限环的鞍结分岔实现的.应用washout滤波器实现了ghostburster模型鞍结分岔点周围放电模式的转迁;并通过快慢系统分解方法分析了放电模式转迁的内在机制.研究发现快子系统固定点的鞍结分岔和快子系统从周期一极限环转换到周期二极限环的临界点在树突产生不完全放电过程中起到关键作用.Washout滤波器的加入改变了树突膜电位极大值的分岔点的位置,从而改变了ghostburster模型的放电模式.     

小世界网络同步的非线性时滞反馈控制

大脑的病态同步放电活动会导致一些神经类疾病,如帕金森、癫痫等.采用Izhikevich神经元模型构建一个兴奋-抑制小世界网络,增加网络的耦合强度能够实现网络的同步簇放电.对网络施加非线性时滞反馈控制,网络的这种同步活动很快消失.仿真结果表明:微分形式的反馈控制去同步的同时,保持了单个神经元的固有放电特性,且这种反馈控制不具有侵害性.直接形式的反馈控制通过抑制神经元的放电活动来抑制网络的同步,这种形式的反馈控制对刺激参数的变化具有鲁棒性,更适用于实际的深度脑刺激术.     

混沌系统中的预测同步现象

运用数值模拟方法,研究了由两个完全相同的Hindmarsh-Rose神经元通过单向延迟反馈耦合连接组成系统的动力学行为.研究结果表明,当延迟时间和耦合强度在适当的范围内取值时,从动神经元发生放电活动时所产生的动作电位,能够预测主动神经元发生放电活动时所产生的动作电位,即出现了预测同步现象.     

e-HR神经元模型分岔分析与同步控制

以单个e-HR神经元模型为基础,研究该模型在双参数平面中的分岔特征,以及通过引入磁控忆阻器建立了磁通耦合e-HR神经元模型,并实现同步控制。基于数值模拟发现,e-HR神经元在双参数平面上存在倍周期、逆倍周期、伴有混沌加周期等分岔模式。通过运用自适应控制方法,对从系统施加控制项,使主从系统由混沌态同步到了簇放电态,从而为研究神经元放电模式的产生、迁移和转变提供了有益的探讨。     

电磁场耦合忆阻神经网络的放电模式及同步行为研究

神经元电活动依赖于外界刺激及其感应电流,而细胞内部离子穿越细胞膜会诱发时变磁场。此外,每个细胞膜表面都被视为具有复杂电荷分布的带电体,会产生感应电场。因此,在传统的神经元模型中引入电磁场变量并研究电磁场耦合对神经网络集体动力学行为的影响具有实际意义。本文提出一种考虑电场和磁场的神经网络模型,其中采用磁控忆阻器模拟细胞内的电磁感应效应,描述磁通量和膜电位之间耦合。通过数值仿真研究电磁感应对神经网络的放电模式转换以及网络同步行为的影响,发现电场和磁场感应可以诱导神经元电活动模式发生转变,还发现突触连接的增强更能促进神经网络同步行为。本文考虑电磁场对神经元的作用,研究结果可望为认识神经系统的信号编码和传播机制提供新的见解。     

磁通神经元模型的放电行为分析

神经系统由大量神经元组成,改进后的磁通神经元模型用来描述考虑电磁感应的神经元电活动的动力学行为.通过改变参数或选取适当的外加刺激电流以及电磁辐射下,检测到神经元电活动的多种放电模式.此外,对引入磁通量的神经元模型进行了动力学分析,如Hopf分岔分析;通过相图和分岔图讨论了神经元的放电行为.结果表明,该模型可呈现多种放电模式(静息态、尖锋放电、簇放电)以及不同模式之间的转换.     

神经元网络同步放电的抗扰特性

为了揭示神经元网络在噪声环境下实现可靠信息处理的内在机制,利用神经元模型对噪声环境下神经元网络同步放电的抗扰特性进行数值计算和分析.给出了定量描述神经元网络放电同步程度和抗扰特性的评价指标,并研究了放电同步程度和抗扰特性间的内在联系.数值仿真结果表明,神经元数目和耦合强度对网络的同步和抗扰特性影响较大;在一定范围内,神经元放电同步程度与抗扰特性强弱间具有近似线性的内在联系.因此,神经元网络可以利用同步放电机制抑制噪声干扰,执行可靠的信息编码与处理.     

噪声诱导电耦合FHN神经元同步

通过噪声对2个电耦合神经元施加影响,讨论了噪声强度和耦合强度对耦合神经元系统同步的影响.研究发现,噪声和耦合的双重作用下,系统可以更快地达到同步.当耦合强度g=1.0>0.5时,电耦合连接的系统相当稳定,噪声并不能彻底改变系统状态.     

自突触下光敏神经元网络的动力学行为

以HR神经元模型为例,模拟了环链网络及平面网络中光敏神经元的电活动行为.研究发现恰当的电压源振幅可以促进神经元放电,使整个网络处于有序态,更大的自突触耦合强度更有利于激发神经元放电.在全光照下,适当调整电压源振幅A、频率ω,可以观察到神经元网络丰富的放电行为.但在固定电压源振幅A下,使用较小的频率ω,神经元很难诱发放电,整个网络处于静息态.在非均匀光照下,网络中更容易产生靶波.     

神经网络受损对神经元放电模式及同步行为影响的研究

以Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型为节点构建一个环状耦合的神经网络,考察网络受损后对其放电模式及同步行为的影响.研究发现,当神经网络正常时,神经元具有较好的接收和输出信息的性能,合适的耦合强度可以调节体系的放电模式和同步行为.而当网络中出现一定程度的损伤时(包括部分神经元或突触连接受损),均会导致神经元的接收或输出信息的性能减弱,从而引起体系中神经元放电模式和放电频率发生改变,体系的同步程度降低.上述研究结果表明神经网络受损将影响神经元的放电活动,并导致网络的异常同步行为,从而为揭示神经性疾病的形成机理提供一定的理论解释.     

电磁感应下一类新皮层神经元的放电及同步

通过引入磁通变量实现电磁感应电流对膜电位的调制,建立一类新皮层神经元的四维神经元模型。基于单参数分岔图、双参数分岔图及其相应的最大李雅普诺夫指数图详细地分析该模型的放电特性和分岔模式。数值结果表明,该模型在适当的外界刺激和电磁感应强度作用下会产生复杂的分岔行为,即加周期分岔、倍周期和逆倍周期分岔等。有趣的是,该模型在双参数平面上广泛存在"梳"状的混沌结构,这意味着该模型具有含混沌的加周期分岔模式。同时基于李雅普诺夫稳定性理论证实了该模型在适当的磁通耦合强度下可以达到完全同步,在较强的耦合条件下反而会破坏同步行为。     

电磁辐射环境下自组织神经元网络拓扑特性及动力学行为

基于FitzHugh-Nagumo神经元模型,构建了电磁辐射环境下突触连接动态变化的自组织神经元网络模型;采用神经动力学理论和复杂网络方法,研究了不同电磁辐射强度下,自组织神经元网络的连接密度、因果关系、模块化程度、网络效率、同步行为以及兴奋性。发现电磁辐射增强了磁场对神经元的负反馈,减弱了神经元之间的竞争,降低了神经元之间的因果关系;但对神经元网络的连接密度、模块化程度和网络效率的影响较复杂;存在最佳辐射强度,使自组织神经元网络的局部效率和全局效率显著升高。同时,电磁辐射增强了自组织神经元网络固有的同步能力,产生更高的神经元同步放电活动。最后,合适的电磁辐射强度可以增强自组织经元网络的兴奋性,而更高的辐射强度降低了神经元网络的兴奋性。结果表明:电磁辐射对自组织神经元网络的形成具有复杂的调控作用,但存在合适的辐射强度,使自组织神经元网络在结构上具有较强的信息传递能力,在动力学上具有较高的同步放电行为。     

大数据背景下神经元复杂网络同步转迁数值设计探讨

时滞产生振荡行为或其他不稳定现象,这对信息传输系统的稳定性产生一定影响。基于此,通过对随机霍奇金-赫胥黎(HH)神经元建立模型,探究了纽曼瓦特网络同步增强受时滞影响的情况。研究发现,在τ=7时,神经网络发生同步转迁行为;当τ7时,神经网络呈现簇同步;当τ7时,神经网络呈现峰同步。     

含磁场耦合忆阻神经网络放电行为研究

本文研究复杂神经网络的连接拓扑和耦合强度对其放电行为的影响,以含磁场耦合忆阻Hodgkin-Huxley(HH)神经元为节点,以神经元之间的连接为边,建立Newman-Watts(NW)型小世界神经网络,并通过改变连接拓扑概率和耦合强度研究神经网络放电模式。研究发现:对于一个给定的耦合强度,当连接拓扑概率接近于零时,神经网络没有放电行为;当连接拓扑概率大于阈值时,网络中的神经元会出现放电现象,而且随着连接拓扑概率p的进一步增大,放电强度变得更大。研究结果表明,连接拓扑概率p可以诱导和增强神经网络的电活动,可望为理解真实耦合神经元的集群动力学提供有益的见解。     

HR神经元网络抗脉冲干扰特性的研究

采用数值仿真的方法,研究了电突触耦合对Hindmarsh-Rose(HR)神经元网络抗脉冲干扰特性的影响.结果表明:规则的耦合形式和神经元数目对网络的抗脉冲干扰特性影响较小;神经元间电突触耦合强度的分布对网络的抗脉冲干扰特性影响较大.在全局耦合结构下,当突触耦合强的度分布满足一定条件时,网络中的神经元仍能同步放电且保持稳定的放电频率,呈现出较好的抵御脉冲干扰能力.