用晶格Boltzmann方法研究激发介质中时空混沌的产生与控制

采用晶格Boltzmann方法,通过计算机数值模拟,研究激发介质中时空混沌的产生与控制。结果发现激发介质螺旋波的失稳属于多普勒失稳;螺旋波破碎成时空混沌前出现波头螺旋式运动;处于时空混沌态的系统各个位置具有相同的振幅谱;适当频率的正弦振荡信号可有效地控制时空混沌态。     

震荡和间歇矩形周期驱动实现螺旋波的抑制

研究了一类激发介质Fitzhugh-Nagumo模型的螺旋波抑制问题.通过对整个系统注入弱的矩形周期信号来改变系统的动力学特性.不同周期的矩形信号驱动会导致丰富的斑图,恰当的驱动周期和信号幅度可以将系统控制到稳定均匀态,最有效的驱动周期接近系统的本征周期.进一步考虑了时空噪声对螺旋波动力学的影响,结果表明,螺旋波发生了破裂.     

间歇线性反馈抑制螺旋波和时空混沌

采用间歇线性反馈的方法研究了一类激发介质中螺旋波和时空混沌的抑制问题．采用系统的采样变量与Logistic混沌信号来驱动系统．数值计算表明：选择恰当的采样周期,在非常小的反馈增益和无噪声下,大约50～80个时间单位后就可以消除Fitzhugh-Nagumo和Panfilov模型所对应的稳定旋转的螺旋波和时空混沌,系统达到稳定均匀态（0,0）．在时空噪声下,稳定旋转的螺旋波变得膨胀稀疏,可观测到螺旋波破裂和新的斑图．     

国家自然科学基金重点项目简介

项目批准号:10335010 项目名称:时空斑图和时空混沌系统的研究 项目主持人:胡岗教授(物理学系) 资助金额:80万元 执行时间:2004 01—2007 12 参加项目主要成员数:10人 合作单位数:3个 主要研究内容:本项目研究时空斑图和时空混沌的性质,转化,控制与同步以及可能的应用.时空斑图的研 究重点以螺旋波为对象,研究螺旋波的形成与发展,以及由于螺旋波破碎导致向时空混沌的转换.时空混沌 的研究重点分析由于同步和退同步化导致时空混沌维数变化以及相关的分岔行为和普适性.时空斑图与时 空混沌的控制将研究利用局域共振驱动在时空混沌中…     

螺旋波动力学研究新进展

讨论可激媒质中螺旋波的形成和其动力学行为、波头的运动和螺旋波失稳,介绍具有2个稳定点的双稳可激系统中时空斑图和其相应的理论,分析最近实验中发现的反螺旋波,给出螺旋波时空与混沌控制与同步的几种方案。认为螺旋波波头的运动反映了整个系统的对称性,在不同的参数范围内,可以观测到不同的斑图行为,对螺旋波动力学的深入研究有望解决诸如心脏失颤等实际问题,有望加强对非平衡热力学行为的进一步了解。     

时间延迟反馈控制斑图形成

在Chlorine-iodine-malonic-acid反应扩散体系中,研究了时间延迟反馈对体系时空动力学的控制作用。首先,理论分析发现调节延迟时间和反馈强度会影响体系霍普夫分岔行为。其次,数值模拟发现时间延迟反馈可诱导体系从稳定定态、图灵斑图态向螺旋波态、整体振荡态的转变。     

基于格子Boltzmann方法研究扩散作用对螺旋波的影响

基于格子玻尔兹曼方法的D2Q9模型,研究激发系统中扩散作用对螺旋波演化行为的影响.数值计算结果显示：保持系统其它参数不变,改变快变量的扩散系数Dy,系统中的螺旋波由圆形向方形转变且波臂变粗,系统能量随Dy的增大而逐渐减少,但总量仍然足以维持系统螺旋波稳定;保持系统其它参数不变,改变慢变量的扩散系数Dx,系统中可以演化出稳定螺旋波、小螺旋波和混沌态3种斑图,系统能量随Dx的增大急剧减少;当Dx＝0.24时,可观察到系统中长臂螺旋波排斥短臂螺旋波现象,Dx增大到一定值时,系统将由激发系统向振荡系统转变.     

气体放电斑图演变过程中的电子激发温度

为了探讨介质阻挡放电中斑图演变与等离子参量之间的内在联系,采用比较谱线相对强度法测量了介质阻挡放电斑图演变过程中电子激发温度的变化.结果显示:随着电压的升高,斑图类型由点状斑图逐渐演变为点线混合状斑图及线状斑图,在此过程中,电子激发温度逐渐升高.但当系统呈现点状斑图时,电子激发温度随电压增长缓慢,只有当系统呈现点线混合状斑图后,电子激发温度才随着外加电压显著升高.实验还测量了点线螺旋波斑图的电子激发温度随放电气体中空气含量的变化关系.结果表明:空气含量越大,则点线螺旋波斑图的电子激发温度越高.     

反应扩散系统中短波不稳定性下的时空斑图

利用扩展的三变量布鲁塞尔模型,得到了新的时空斑图,其中包括振荡四边形斑图、调制条纹斑图以及螺旋波斑图.通过对模型进行线性稳定性分析,发现这些时空斑图是由于短波不稳定性所引起的.另外,还研究了系统大小对时空斑图的影响.     

二维相移耦合振子系统斑图的缺陷效应

考察了在考虑不同阻挫时,极限环振子耦合系统的斑图动力学行为.每个极限环振子只与其最近邻的4个振子相互作用.螺旋波斑图,湍流和西洋棋盘斑图等都被观察到.我们使耦合系统中极大部分都以相同的相移,其中随机选择少量的耦合以不同的相移,称之为缺陷.当没有缺陷时,整个二维系统呈现出来的是螺旋波斑图结构,当随机改变其中的较少的联接属性(相移)时,就会出现靶波,当缺陷进一步增加时,靶波又会消失,这是个渐变的过程.     

心肌组织螺旋波和回卷波的数值分析

利用数值方法，研究激发介质的波形结构，通过计算得到平面螺旋波及其破碎图形，空间回卷波及其扭曲图形，根据波形图案解释了BZ化学反应和阿米巴细菌聚集的实验现象，描述了心肌激发介质内部的波形构造。     

不均匀介质中负回归曲线对螺旋波的影响

考虑了激发介质的不均匀性及生物细胞活动的空间离散及时间连续的性质,采用改进的Greenberg-Hasting模型,研究了负回归曲线的斜率对螺旋波稳定性及波形的影响.数值模拟结果表明,只有当介质的负回归曲线的斜率大于-1时,螺旋波稳定.在抛物线型负回归曲线介质中,稳定的螺旋波会演化成湍流图案.     

2个可激系统的螺旋波同步行为

研究了2个可激系统的同步行为．2个可激系统用支持螺旋波的FitzHugh-Nagumo模型描述,在没有延迟的情况下,变化可激参数可以改变同步时耦合参数的范围．研究发现,螺旋波同步对应的耦合参数的下限近似和单点动力学的恢复时间长度成线性关系;也给出了同步时耦合参数范围和时间延迟的关系．     

Detecting the breakup of spiral waves in small-world networks of neurons due to channel block

The breakup of a spiral wave by blockade of sodium and potassium channels in a small-world network of Hodgkin-Huxley neurons is investigated in detail.The influence of ion channel block in poisoned excitable membrane patches of a certain size is measured,by varying channel noise and channel densities resulting from the change in conductance,For example,tetraethylammonium is known to cause a block(poisoning) of potassium channels,while tetrodotoxin blocks sodium channels.We observed the occurrence of spiral waves,which are ordered waves believed to play an important role in facilitating the propagation of electric signals across quiescent regions of the brain.In this paper,the effect of channel block was measured by the factors xK and xNa,which represent the ratios of unblocked,or active,ion channels,to the overall number of potassium or sodium ion channels,respectively.To quantify these observations,we use a simple but robust synchronization measure,which succinctly captures the transition from spiral waves to other collective states,such as broken segments resulting from the breakup of the spiral wave.The critical thresholds of channel block can be inferred from the abrupt changes occurring in plots of the synchronization measure against different values of xK and xNa.Notably,small synchronization factors can be tightly associated with states where the formation of spiral waves is robust to mild channel block.     

自组织理论的概念、方法和应用

介绍了自组织理论的基本概念、研究方法,以及在生命系统上的一些应用,包括自组织理论的热力学基础、确定性的动力学方法、随机性描述方法和多个体模拟方法.以可激发系统中的螺旋波为例进行了案例分析,并介绍了自组织理论的新进展和在不同领域的新应用.     

Stationary and drifting spiral waves of excitation in isolated cardiac muscle.

Excitable media can support spiral waves rotating around an organizing centre. Spiral waves have been discovered in different types of autocatalytic chemical reactions and in biological systems. The so-called 're-entrant excitation' of myocardial cells, causing the most dangerous cardiac arrhythmias, including ventricular tachycardia and fibrillation, could be the result of spiral waves. Here we use a potentiometric dye in combination with CCD (charge-coupled device) imaging technology to demonstrate spiral waves in the heart muscle. The spirals were elongated and the rotation period, Ts, was about 180 ms (3-5 times faster than normal heart rate). In most episodes, the spiral was anchored to small arteries or bands of connective tissue, and gave rise to stationary rotations. In some cases, the core drifted away from its site of origin and dissipated at a tissue border. Drift was associated with a Doppler shift in the local excitation period, T, with T ahead of the core being about 20% shorter than T behind the core.     

Non-linear dynamics of cardiac excitation and impulse propagation

Extremely complex frequency-dependent patterns of excitation and impulse propagation can be shown in cardiac tissues. Such complex behaviour can be analysed using methods derived from chaos theory, which is concerned with the non-linear dynamics of deterministic systems that have irregular periodicities as well as an exquisite sensitivity to the initial conditions. We report here that the general response patterns of non-oscillatory cardiac conducting tissues, when driven rhythmically by repetitive stimuli from their surroundings, are similar to those of other deterministic systems showing chaotic dynamics. Such patterns include phase locking, period-doubling bifurcation and irregular activity. We have used electrophysiological techniques and analytical arguments to explain this unforeseen behaviour and to provide some key information about its mechanisms. The study of these dynamics is of general application to the understanding of disordered phenomena in excitable media, and may provide new insight about the origin of fatal cardiac arrhythmias.