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.     

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.     

基于平均场的全局耦合神经集群的去同步控制

针对一些疾病中出现的神经元放电的病理性同步,本文提出了一种去同步控制方法.在神经元受到电流和噪声的刺激引发放电时,引入平均场对神经元集群进行点对点的全局耦合,将会使神经集群达到同步状态.在此过程中将平均场进行滤波以及线性处理反馈回神经集群,可以控制集群去同步.通过对集群参数与控制器参数分别研究,表明这种控制方法对噪声,耦合强度,控制器参数都具有鲁棒性.而且此方法有实用性,易临床实现,可以用作深度大脑刺激的新颖控制方法来治疗精神疾病.     

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.     

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.     

磁刺激作用下感生电场对网络同步的影响

磁刺激作为一种无侵入式的物理技术,在治疗某些精神疾病方面取得了一定的发展．但是由于对磁刺激和大脑之间的相互作用机制的认识不清,极大限制了此技术的发展．磁场对脑部的影响体现在其产生的感应电场可以调节神经网络的活动．在基于模型的基础上研究了磁场刺激作用下的感生电场对神经元及其网络的影响．在对直流感应电场的分析中,研究了电场强度、突触电导以及网络规模对网络同步的影响,并发现由抑制性中间神经元所组成的网络只能产生在gamma频段（30～80Hz）内的同步振荡;在对交流感应电场的分析中,发现只有当神经元处于单周期放电模式时才能产生同步的网络振荡．研究结果解释了感应电场对神经元及其网络的作用规律,有助于推动以磁刺激为核心技术治疗某些精神疾病的有效手段的进一步发展．     

功能神经元建模及动力学若干问题

生物神经元是神经系统处理信号的基本单元,其复杂的解剖结构和突触可塑性使得神经元对外界刺激具有很强的自适应性,其放电模态也具有多样性。在脑皮层内存在不同的功能区,功能区内的神经元聚集成不同拓扑结构的网络,相互协作对单一外部刺激进行编码。不同功能区的神经元相互通信,以多层网络同步方式传递信号,驱动肌体和器官协作来完成应激反应。神经元网络群体电活动主要取决于网络局域动力学、连接链路和耦合通道的物理属性,网络拓扑结构及物理效应。构建可靠的生物物理神经元模型,强化耦合通道的可控性,分析神经元网络同步和斑图演化过程中能量输运的特征,噪声驱动的物理机理,神经系统选频和滤波响应的物理机制等对于认知神经系统模态响应和预防神经性疾病具有重要意义。本文从单个神经元电路的功能强化,如在非线性电路嵌入不同的物理器件来设计感知温度、光照、声波、外磁场和电磁辐射的功能神经元电路,到神经元电路内部能量存储和交换,听觉和视觉神经元滤波选频,耦合通道耗能和储能,场能量无量纲化到哈密顿能量,场耦合同步到共振同步,神经元网络斑图及同步稳定性,系统地介绍和评论神经元功能性增强及网络动力学相关问题,为进一步设计智能化的功能神经元...     

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.     

基于TMAES对GrC神经元放电活动影响的仿真

经颅磁声电刺激（TMAES）是一种新型无创的脑神经调控技术,具有良好的应用前景.该技术利用静磁场和超声波共同作用所产生的磁声电效应,在神经组织中产生感应电流,进而对神经组织实施刺激.作者基于小脑颗粒细胞模型（GrC模型）,建立了突触连接GrC模型,对TMAES刺激下突触连接GrC模型的动作电位进行仿真,分析了动作电位的传播方向.在TMAES神经元的不同突触连接方式下,对比了兴奋性与抑制性对神经元放电的影响.通过改变抑制点的位置分析了抑制作用在TMAES下对神经元放电模式的影响.仿真结果显示,经颅磁声电刺激对GrC模型神经元放电节律具有重要影响.实现了两个神经元突触连接模型在TMAES下的仿真,对进一步发掘和研究神经元的传导及连接模式具有重要意义.     

小鼠海马神经网络对情景体验进行实时编码的功能单元的发现与鉴别

为了在神经网络层次上研究大脑对情景记忆信息实时编码的原理,我们创制了96通道微电极阵列系统．利用该系统,在小鼠经历惊吓事件过程中,对其大脑海马区多达260个神经元的放电活动进行了同步观察和记录．我们发现,惊吓情景刺激促发了小鼠海马CAI区神经元的放电模式发生改变,且这种改变与惊吓事件的特性及发生环境密切相关．运用统计学中的模式判别法。这些神经元的放电活动在低维空间形成了明显的集群式编码模式．进一步运用“移动窗口扫描”法,我们不仅能观察到神经网络实时编码的动态变化过程,而且能追踪惊吓事件之后记忆痕迹在神经元网络上的再现轨迹及次数．我们的分析表明：大脑海马CA1区神经网络的编码能力来自于由一系列神经元簇组成的功能性编码单元,神经元簇中的各神经元个体通过协同放电,从而克服了单一神经元放电的随机可变性,使对外界信息的实时编码获得稳定的高信噪比．这些功能性编码单元集群的激活形式能转换为具有实时性的一串串二进制数码,这一转换使不同动物大脑对各种行为事件获得了简明而通用的分类与编码．     

电磁辐射下神经元放电模式及其环状耦合同步转迁

鉴于外部磁场会对神经元放电活动产生影响,本文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...     

电场作用下海马锥体神经元等效应建模

为解决电磁刺激治疗癫痫神经疾病的有效性和安全性等问题,建立了容易引起癫痫发作的海马CA3区锥体神经元在外电场刺激下的等效应模型,并通过Matlab 数值仿真,分别研究了其在直流和交流外电场作用下的动力学特性。仿真结果表明,神经元的放电频率受到直流电场强度的调制,特别对电场的方向比较敏感。当电场为负向时,电场强度的变化对神经元的动力学特性影响明显,当电场为正向时,影响不明显;在交流电场刺激下,神经元的动力学特性改变具有外部电场频率依赖性,不同频率刺激下神经元会出现周期簇放电、同步放电、周期峰放电和混沌放电等状态。据此可指导医生制定更为有效安全的神经疾病电磁刺激治理方案。     

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.     

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。     

神经元簇状放电锋电位数的研究

利用水蛭心脏细胞的神经元膜电位的动力学方程,讨论外界刺激电流对簇状放电中锋电位数目的影响,发现外界刺激电流和非失活钾离子通道激活电位具有相同的作用,神经元的活动状态随着外界刺激电流的变化,可以在簇状放电、持续放电和无放电三种状态之间转换.神经元簇状放电时,刺激电流导致神经元膜电位的去极化程度越高,在一次簇状放电过程中产生的锋电位数也越多.     

抑制性突触输入作用下神经振子群相响应同步

文章利用相响应曲线建立了具有兴奋性与抑制性突触输入和外部周期刺激的神经振子集群模型,引入复序参数描述神经元集群的同步活动。数值模拟表明抑制性突触输入降低了神经元集群的同步程度,减弱了神经元集群同步模式改变时的外部刺激;在弱刺激或低频率刺激下,神经元集群出现完全同步;在强刺激或高频率刺激下,神经元集群出现阵发性同步。     

大鼠杏仁体基底核对视皮层17区神经元电活动的抑制

实验在５５只Ｕｒｅｔｈａｎｅ麻醉的雄性Ｓ磊鼠上进行。采用电生理的胞外记录法,观察了电刺激杏杜体对视皮层１７区单个神经元的光反应及自发放电活动的影响。当刺激杏仁体基底核时,１２３个对闪光起反应的神经元中,有５７个单位的光反应受到了抑制（占４６．３％）。这种帽性影响的潜伏期多为５－５０ｍｓ（３３个单位）,抑制的有效时程为５－２０ｍｓ。本文对这种抑制性影响的可能途径和生物学意义进行了讨论。     

平均场耦合的Hindmarsh-Rose神经元相同步

本文主要研究两个初始条件、参数都不同的Hindmarsh—Rose神经元,在平均场作为刺激强度的条件下的运动形态。研究表明:当这种刺激强度达到某一范围时,两神经元可以由互不相关达到相位同步。本文分析了两个神经元的相位差、平均频率差、关联函数、相关系数随耦合强度的变化,分析表明当耦合强度增大一定值得时候,这些指标都发生了趋向相同步的变化。这种耦合方式更符合生物体内的实际情况因而对研究神经元的放电有一定的作用。     

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.