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．     

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。     

二维耦合细胞体系尺度大小对系统响应能力的调控作用

利用Berridge提出的细胞内钙离子振荡最小化模型, 通过数值模拟方法考察二维(N*N)耦合细胞体系对外界刺激的集体响应行为. 发现在一定的耦合强度下, 当耦合单元数目取适当值时(如C_µ = 0.07, N = 4), 体系输出信号的信噪比有极大值, 表明在二维耦合体系中也产生了动力学体系尺度共振现象. 同时还发现随着耦合强度的变化, 该体系对外界刺激的响应所对应的体系尺度发生了迁移, 而且随着耦合强度的增大其响应的体系尺度范围也有所扩大. 这些现象表明耦合单元数目、耦合强度都对生物细胞体系感受外界刺激的能力有重要的调控作用, 生物体系有可能利用这些现象来提高其自身对外界刺激的响应能力.     

幅度调制信号驱动基因转录模型中关联噪声诱导的多重随机共振

本文研究加性幅度调制信号和关联噪声驱动下的基因转录调控模型中的随机共振现象.采用标准的两态方法,推导了绝热近似下信噪比精确的表达式.通过对信噪比的数值模拟,研究发现,信噪比随乘性噪声和加性噪声强度变化时会出现随机共振现象.此外,模拟结果还表明,随机共振的峰值高度可以通过驱动信号的幅度调制深度和幅度调制频率来实现对它的控制.更有趣的是,在信噪比随噪声关联强度变化曲线中观察到了多重随机共振现象.     

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.     

信号噪声下整合发放神经元模型的随机共振

文章基于整合发放神经元模型,研究了信号噪声与背景噪声共同作用下神经元系统的随机共振现象。利用随机平均法推导出了神经元系统的输出幅值增益精确表达式,并考察了背景噪声、信号噪声相关时间和信号噪声与背景噪声两噪声的关联强度对神经元系统输出幅值增益的影响。通过数值模拟发现,当背景噪声较弱时,神经元系统有明显的随机共振现象;当信号噪声自相关时间较短及背景噪声与信号噪声间两噪声间关联强度较小时,神经元系统也会出现随机共振现象。     

映射神经元前馈环网络基元中的随机共振和相干共振

采用映射神经元模型,通过数值模拟方法研究了由3个神经元组成的前馈环（Feed—Forward—Loop,FFL）网络基元中噪声对体系非线性动力学行为的影响．由3个神经元组成的前馈环网络基元,因神经元本身分为兴奋和抑制两种类型,共有8种不同的形式．通过对不同类型前馈环网络基元的数值模拟,在多种类型的前馈环中发现了随机共振及相干共振现象．在对不同前馈类型及不同耦合强度下的结果进行比较后,发现不同的前馈形式及耦合强度对体系的动力学行为有着非常重要的影响．     

关联高斯噪声激励下集合种群模型的随机共振

主要研究了关联高斯噪声作用下集合种群模型的随机共振现象,得到了信噪比的解析表达式,分析了关联高斯噪声及周期信号对系统随机共振的影响。研究结果表明:信噪比曲线在乘性噪声强度的影响下,出现了随机共振现象。同时噪声关联强度和信号强度能够增强随机共振现象,而加性噪声强度对随机共振现象有抑制作用。     

分形高斯噪声驱动的神经元反馈模型中的随机共振现象

基于脑神经科学中的长程相关性和谱幂律形态的普遍性,使用分形高斯噪声建立了一类非线性神经元随机模型,研究了分形高斯噪声在非线性神经元模型中的增强信息传输作用。主要研究一般的反馈神经元模型中,加性分形高斯噪声诱导阈上随机共振现象发生的条件,满足一定条件的噪声强度和系统的Lipschitz条件的随机动力系统可发生阈下随机共振或阈上随机共振现象。理论和模拟结果都显示受分形高斯噪声激励的非线性神经元系统在二值输入的状态下互信息随着噪声强度的变化会达到最大值,并出现单峰状态,从而产生阈下随机共振和阈上随机共振现象。随机共振的现象发生与分形高斯噪声的Hurst指数有关。通过模拟,验证了分形高斯噪声可以增强神经元的信息传输作用。     

细胞钙浓度的变化对周期信号的响应及胞间同步

 钙离子是细胞中一种很重要的第二信使,通常它以钙离子浓度振荡的方式转导多种生理学信息,影响细胞分化、成熟和凋亡等各种生理过程,最终导致生物效应。通过实验研究了细胞钙浓度的变化对周期信号的响应和建立在多细胞模型的基础上,从肝细胞内钙离子振荡的动力学模型出发,以胞间耦合因子作为影响因子,数值分析单细胞、耦合的多细胞下的胞内钙振荡形式。实验结果表明：细胞钙振荡对不同频率和强度的周期信号的响应是不同的：对有的参数周期信号能产生强烈响应,有的不能。数值分析结果表明：细胞间的差异性导致钙振荡不同,胞间耦合影响多细胞钙振荡的同步性。     

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。     

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．     

耦合神经元体系对外界信号的选择性响应

采用Hindmarsh-Rose (HR) 神经元模型,考察了两个神经元耦合体系对外界信号的响应模式.当调节信号的频率时,从放电脉冲的尖峰间隔(Interspike interval-ISI)变化中可以发现,体系随着外界不同频率,信号能在不同周期态之间以及周期态和混沌态之间发生跃迁;而当调节信号的强度时也可以观察到周期态之间类似的跃迁现象.这些现象表明神经元体系对不同频率的外界信号存在着较明显的选择效应.该数值模拟结果将有助于揭示生物细胞体系对外界刺激的响应模式和内在机制.     

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。     

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.     

玻尔兹曼极限下非增长复杂网络中的凝聚

讨论了复杂网络中几种不同的凝聚现象.分析了具有固定结点数和固定连边数的非增长适应度模型中的临界现象.解析研究的结果表明这一模型展示出了凝聚相变的现象.同时用数值方法模拟了该模型在玻尔兹曼极限下的临界行为,发现其非凝聚相与增长适应度模型中的非凝聚相有显著差异,而对应的临界温度和度分布也被确定下来.