噪声诱导的钙离子体系随机共振研究

研究了外噪声对细胞内钙离子体系振荡的影响,结果表明外噪声可以在确定性体系不存在振荡的区域诱导出随机钙离子振荡。随着噪声强度的改变,振荡会在某一强度下显示最佳的行为,表明随机共振现象的出现。     

耦合细胞体系中多重随机共振对噪声的选择效应

以Hǒfer提出的细胞内钙离子振荡模型为研究对象,考察了噪声诱导的钙振荡信号在一维双向耦合细胞体系中的传递行为,发现当单个细胞受到外噪声扰动时,其输出信号的信噪比（signal—to-noise ratio：SNR）会在两个不同的噪声强度处呈现极大值,表明噪声在细胞中可以诱导出双重随机共振现象．特别重要的是,当多个细胞耦合时,通过耦合作用,第一个细胞中的共振行为可以沿着耦合细胞链向下传递,并表现出不同的特征：离第一个细胞较近和较远的细胞表现出双重随机共振现象,而处于中间位置的细胞则表现出多重随机共振现象．并且,产生多重共振的细胞数目会随着耦合强度的增加而增多．这些现象表明细胞体系可以通过调节耦合强度,借助于多重共振机制,对噪声诱导的细胞信息做出有效的选择．     

细胞体系的拓扑构形对钙信号传递的影响

采用细胞内钙动力学模型,考察了在由四个细胞耦合构成的十种可能的构形中,细胞连接的不同构形对噪声诱导的钙信号传递的影响,该噪声施加在其中一个细胞上.研究发现拓扑构形对钙振荡的频率、钙振荡的时间延迟以及钙峰的规整度有着很重要的作用.另外,通过比较网络特性对结果进行了探讨.这些结果表明细胞间的拓扑连接对钙信号的传递有很重要的影响,也有助于理解生物组织体内细胞的合作行为.     

大鼠胰腺β细胞内葡萄糖钙信号调控机制

用fura-2显微荧光法测量细胞内自由钙浓度[Ca2+]i,在单个大鼠胰腺β细胞上探讨了葡萄糖诱发的[Ca2+]i初期下降相(GIDP)、钙振荡和钙库释放的影响因素.实验中发现,非刺激浓度的葡萄糖(5 mmol/L)仍可导致β细胞特有的GIDP.GIDP与去极化无关,也不受外钙的影响,但能被内质网钙泵抑制剂thapsigargin抑制,提示此过程可能缘于钙库对胞浆Ca2+的摄取.在胞内钙振荡过程中移去胞外液中的Ca2+,振荡会逐渐停止;若施加thapsigargin,钙振荡仍能继续维持,说明钙振荡主要缘于外钙内流,钙库在钙振荡维持中的作用不大.无外钙条件下,葡萄糖诱导的钙库释放能被钠通道阻断剂TTX所抑制,而高钾对钙库的释放作用却不受TTX的影响,这提示膜去极化可以直接诱导钙库释放.因此,细胞膜去极化、外钙内流、胞内钙库的摄取和释放共同协调着β细胞内的Ca2+平衡.     

改进双钙库模型的分岔分析

钙离子(Ca~(2+))是细胞内最常用的信号分子,它通过钙振荡的形式调节多种不同的细胞活动。双钙库模型是一个经典的钙振荡模型,它描述了细胞内钙振荡发生的详细机制。但是,该模型中的希尔系数高,不利于数学分析。本文在降低希尔系数的基础上提出了改进模型,并应用定性理论和分岔理论对其进行了数学分析。改进双钙库模型的动力学性质与原始双钙库模型相似,但其钙振荡区间更大,振幅变化更明显,更好地体现了Ca~(2+)编码细胞信号的方式。双参数分岔分析结合参数敏感性分析的结果表明:Ca~(2+)流出细胞的速率常数、钙库上钙释放通道和钙泵的激活常数均可对钙振荡产生明显影响,这些参数的改变可能会引发Ca~(2+)相关的疾病。本研究有助于人们更好地从数学层面研究双钙库模型,对理解钙信号及其相关疾病也有一定帮助。     

一类接触率受到噪声干扰的随机SIS流行病模型研究

研究了一类接触率受到环境噪声干扰的随机SIS流行病模型.利用停时理论及Lyapunov分析方法,证明了该随机模型正解的全局存在唯一性与有界性.当相应的确定性模型基本再生数小于1时,证明了随机模型无病平衡点的随机渐近稳定性;当确定性模型基本再生数大于1时,揭示了随机模型的解围绕相应的确定性模型地方病平衡点的振荡行为;当确定性模型基本再生数大于1并且噪声强度较小时,证明了随机模型的解是平均持续的.另外,得到了强度较大的环境噪声可以导致疾病灭绝的结论.最后,数值模拟验证了所得理论结果的正确性.     

一类随机血糖-胰岛素调节系统的渐近性分析

以最基本的IVGTT确定性模型为基础,构建了一个具有白噪声干扰的随机血糖-胰岛素系统.证明了系统正解的存在唯一性,讨论了系统正解的渐近行为.由于随机血糖-胰岛素系统加入了随机项后,其对应的确定性系统的正平衡点将不复存在,为了讨论系统的稳定性,证明了在一定条件下,随机系统的解将围绕确定性系统的正平衡点附近某点做随机振动,且其振动幅度与白噪声干扰强度大小有关.通过数值模拟,探讨了白噪声干扰对系统的影响.     

细胞内部扰动对钙振荡的维持

研究了由于体系内部随机扰动而产生的内噪音对有限尺寸钙离子体系的影响．结果表明内噪音可以在确定性体系不存在振荡的区域诱导出随机钙离子振荡．随着细胞体积的变化,振荡会在某个体积下显示最佳的行为,表明出现了体系尺寸共振．     

电磁场对胞内钙振荡的影响

目的 研究细胞钙振荡的周期与IP3受体浓度的关系以及外加电磁场对细胞钙振荡的影响.方法 从单个肝细胞内钙离子振荡的动力学模型出发,以细胞膜上IP3受体浓度作为作用因子,数值分析电磁场频率对胞内钙离子浓度的影响.结果 给出了胞浆内钙离子浓度随时间变化的关系.结论 钙振荡的周期与IP3受体的浓度成非线性关系,外加电磁场频率影响胞内钙振荡的周期.     

一个五变量钙振荡模型中的分支分析

主要从分支的角度分析了一个五变量的胞内钙振荡模型中的钙振荡现象,首次从理论上证明了细胞质内和内质网上的钙离子浓度周期性振荡现象可通过系统平衡点发生Hopf分支而产生。此外,通过数值模拟,我们还发现了此模型的钙振荡现象不是单一形式的,存在着拟周期、混沌等复杂形式的振荡。     

钙离子体系中显式阵发振荡随机共振

采用介观的化学朗之万方程研究了内噪音对于钙离子阵发振荡行为的影响.模拟结果显示,体系的信噪比值在某一内噪音强度下,即某一细胞体积下达到最大.这一行为与随机共振现象相似,称之为显式阵发振荡随机共振.若采用相关时间度量阵发振荡的相关性,则阵发振荡的相关时间也会在某一细胞体积下达到最大.     

非线性单稳态系统中基于内禀振荡的随机共振

通过考察具有内禀振荡的单稳态非线性系统的随机振荡行为,研究了内禀振荡对噪声背景中微弱信号检测性能的影响.结果表明,输出信噪比和系统信噪比增益都表现出随机共振行为;该随机共振现象依赖于系统的选频特性,而系统的选频特性源于内禀振荡.该单稳态非线性系统表现出的这种源于内禀振荡的随机共振,可能为微弱信号检测系统的设计提供新思路.     

周期调制噪声驱动的具质量涨落的欠阻尼谐振子的随机共振

本文研究了周期调制噪声驱动的具有质量涨落的欠阻尼谐振子的随机共振,其中的振子质量的涨落为对称双态噪声而内噪声为高斯噪声.通过Shapiro-Loginov公式和Laplace变换,本文得到了系统稳态响应的一阶矩的解析表达式,接着利用Routh-Hurwitz判据推导了系统响应的一阶矩的稳定性条件,进而通过数值仿真研究了系统响应的一阶矩与系统各参数间的依赖关系.仿真结果表明稳态响应振幅与周期输入信号频率、涨落噪声参数及系统固有参数均呈非单调变化关系,模型出现真实共振、广义随机共振和参数诱导共振等丰富的随机共振现象.进而,本文的研究还表明质量涨落噪声和周期信号调制噪声的相互协作将导致系统的一些新的共振效应出现,比如关于系统稳态响应振幅与驱动频率的双峰共振及关于某些噪声参数的单谷共振行为.     

化学反应交联的随机热力学效应

根据受噪声作用的有限化学反应系统的随机热力学理论，以存在膜平衡交联的简单反应模型为例，建立了交联体系的有效主方程及有效随机熵平衡方程。进而阐了这类体系中有效熵产生的统计内涵，初步揭示出内涨落和来自化学反应交联的外噪声的随机热化学效应。     

Ornstein-Uhlenbeck噪声驱动的过阻尼广义Langevin方程的共振

本文研究了受外部周期信号激励的线性过阻尼广义Langevin方程的随机共振现象.本文将系统内噪声建模为指数型关联Ornstein-Uhlenbeck噪声,系统外噪声建模为双态噪声,并利用随机平均法和积分变换算法推导出系统响应的一阶稳态矩和稳态响应振幅的解析表达式.对解析结果的分析表明,该线性过阻尼广义Langevin方程具有丰富的共振行为,即系统的稳态响应振幅随噪声的特征参数、周期激励信号的频率及部分系统参数的变化而出现广义随机共振.     

FitzHugh―Nagumo神经元模型非阈下响应的随机共振

研究了当FitzHugh-Nagumo(FHN)神经元模型在弱信号激励下只有阈上振荡响应时的随机共振。研究结果表明:随着FHN神经元模型的分岔参数的增加,发生了一个由两个吸引子(阈上振荡和阈下振荡)变化到一个吸引子(阈上振荡)的分岔;当FHN神经元模型的分岔参数位于分岔点的右边时,在弱信号激励下系统的响应只有阈上振荡存在,此时在外噪声或者内噪声的调制下,系统响应的能量向输入信号频率处集中,而信噪比随噪声强度的变化曲线呈现出单峰曲线,随机共振发生了,并且此时随机共振发生的机制是由于系统运动在分岔点左右三个吸引子(两个在分岔前一个在分岔后)之间的跃迁而产生的。     

含有内噪声的耦合细胞体系对外噪声的选择作用

本文研究了在内噪声存在的情况下,耦合细胞体系对外噪声的选择效应。模拟过程中发现:体系中钙离子振荡行为对多个噪声强度表现出较好响应,改变耦合强度和耦合单元数目时,出现了多重随机共振和不同共振态之间的转变现象。为解释这种转变现象发生的机理,计算了钙离子振荡时间序列的标准差来表征体系的活动强度,发现上述转变现象与体系的活动强度密切相关。模拟结果表明:耦合细胞体系可以根据实际情况,自发调节自身结构参数来合理利用内外噪声,并借助于随机共振模式转变的机制,对外界不同的刺激信号作出选择性的响应。     

Alpha-haemolysin of uropathogenic E. coli induces Ca2+ oscillations in renal epithelial cells

Pyelonephritis is one of the most common febrile diseases in children. If not treated appropriately, it causes irreversible renal damage and accounts for a large proportion of end stage renal failures. Renal scarring can occur in the absence of inflammatory cells, indicating that bacteria may have a direct signalling effect on renal cells. Intracellular calcium ([Ca2+]i) oscillations can protect cells from the cytotoxic effects of prolonged increases in intracellular calcium. However, no pathophysiologically relevant protein that induces such oscillations has been identified. Here we show that infection by uropathogenic Escherichia coli induces a constant, low-frequency oscillatory [Ca2+]i response in target primary rat renal epithelial cells induced by the secreted RTX (repeats-in-toxin) toxin alpha-haemolysin. The response depends on calcium influx through L-type calcium channels as well as from internal stores gated by inositol triphosphate. Internal calcium oscillations induced by alpha-haemolysin in a renal epithelial cell line stimulated production of cytokines interleukin (IL)-6 and IL-8. Our findings indicate a novel role for alpha-haemolysin in pyelonephritis: as an inducer of an oscillating second messenger response in target cells, which fine-tunes gene expression during the inflammatory response.