大脑血液动力学现象中的能量编码

神经信息的编码与解码是神经科学中的核心研究内容,同时又极具挑战性.传统的编码理论都具有各自的局限性,很难从脑的全局运行方式上给出有效的理论.而由于能量是一个标量具有可叠加性,因此能量编码理论可以从神经元活动的能量特征出发来研究脑功能的全局神经编码问题,取得了一系列的研究成果.本研究以王-张神经元能量计算模型为基础,构建了一个多层次结构的神经网络,通过计算机数值模拟得到了神经网络的能量消耗和血液中葡萄糖供能的变化情况.计算结果显示,和网络的神经活动达到峰值的时间相比,血液中葡萄糖的供能达到峰值的时间延迟了约5.6s.从定量的角度再现了功能性核磁共振(fMRI)中的血液动力学现象:大脑某个脑区的神经元集群被激活以后经过5~7 s的延迟,脑血流的变化才会大幅增加.模拟结果表明先前发表的由王-张神经元模型所揭示的负能量机制在控制大脑的血液动力学现象中起着核心的作用,预测了刺激条件下大脑的能量代谢与血流之间变化的本质是由神经元在发放动作电位过程中正、负能量之间的非平衡、不匹配性质所决定的.本文的研究结果为今后进一步探究血液动力学现象的生理学机制提供了新的研究方向,在神经网络的建模与计算方面给出了一个新的视角和研究方法.      

耦合条件下大脑皮层神经振子群的能量函数

探讨了局部脑皮层网络活动中,耦合条件下的大规模神经振子群的能量消耗与神经信号编码之间的内禀关系,得到了神经元集群在阈下和阈上互相耦合时神经元膜电位变化的函数. 这个能量函数能够精确地再现神经电生理学实验中的EPSP,IPSP,动作电位以及动作电流. 最近功能性核磁共振实验证明了神经信号的编码是与能量的消耗紧密地耦合在一起的,因此研究结果表明利用能量原理研究大脑在神经网络层次上是如何进行编码的这一重大科学问题的讨论是十分有益的. 可以预计得到的能量函数将是生物学神经网络动力学稳定性计算的基础.      

认知神经科学中蕴藏的力学思想与应用

该文系统总结了作者团队在脑科学领域内提出的神经能量理论与方法,以及力学与神经能量理论之间的内在联系.着重介绍了如何运用分析动力学的思想构建一个与H-H模型等效的W-Z神经元模型.并以此为基础,在神经科学领域内提出了以神经能量为核心的大尺度神经科学模型和大脑全局神经编码的理论框架.在包括视知觉等多个感知觉神经系统的信息处理、大脑的智力探索以及预测神经元新的工作机制、解释神经科学难以解释的实验现象等方面,证实了这个新颖的神经元模型所展现出来的独特功能与优势.由于可塑性是认知神经科学与智能行为的核心,通过蛋白质分子机器的经典力学分析,进一步阐明了神经元的可塑性和神经发育不仅仅只是生物化学反应过程,力学的作用与贡献也是不可或缺的重要因素.表明了力学科学在神经科学、生命科学中的研究思想及其内在逻辑的深远影响.这些研究对于今后推动实验神经科学与理论神经科学的融合,摒弃神经科学领域中还原论与整体论研究方法中的不足,并将它们各自的优点进行有效地整合,促进力学科学的理论与方法的渗透是极其重要的.      

神经动力学研究进展和若干思考

神经动力学是动力学与控制学科的基础性分支,属于力学与脑科学、智能科学的国际前沿交叉学科领域,主要是通过动力学与控制的基本理论和方法,建立合理的模型来探究神经系统电生理动力学行为和脑认知功能的机理.近年来,国内外学者在神经动力学的基础研究方面取得了显著成果,包括神经元和神经元网络动力学行为的深入研究、大脑不同功能结构的建模分析以及神经疾病关联脑区的网络动力学建模与控制等.本文首先对国内外神经动力学研究领域取得的进展做了较全面的概括分析,特别是给出了建模方面的发展历程.进而,基于解析生物神经网络及其动力学的研究成果,对神经动力学未来的研究方向提出了一些思考展望,期望神经动力学的研究将助力具备较强可解释性和泛化能力的类脑智能原理和方法的突破及在重大工程中的应用.     

基于信息编码的神经能量计算

通过神经元活动期间神经能量的计算, 发现关于神经元 的活动需要消耗能量的观点并不完整. 计算表明神经元在动作电位发放期间先吸收 能量然后再消耗能量. 依据这个重要发现, 能够解释当脑内神经元被激活时脑血流 量大幅增加而耗氧量却增加很少这一难以解释的神经生理学现象. 同时还能够解释外部刺激信息和知觉的产生会有同步效应这一认知神经科学界也难 以解释的现象.     

神经系统疾病与认知动力学(II): 神经振荡与认知动力学

大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律, 这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现, 其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关. 本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展, 并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象, 综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作, 解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理, 提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制. 研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用, 为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.      

生物神经网络系统动力学与功能研究

生物神经系统是由数量极其巨大的神经元相互联结的信息网络系统,在生物体的感觉、认知和运动控制中发挥关键性的作用.首先介绍神经元、大脑和一些生物神经网络的生理结构和理论模型,然后分别介绍其放电活动和网络动态特性的一些重要问题,包括神经元的复杂放电模式、耦合神经元网络系统的同步活动和时空动力学、大脑联合皮层神经微回路的网络结构特征,以及工作记忆和抉择过程的动力学机制等. 最后对今后研究给出一些展望.      

延时神经网络混沌现象的研究

本文研究一个具有部分延时性能的三个神经元的不对称神经网络系统的动力学行为，讨论了当控制参数变化时网络呈现的各种现象，计算了李雅普人指数研究了阵发混沌现象，最后讨论了全延时神经网络的吸引子。     

关于注意和记忆的神经动力学机制

利用随机的相变动力学理论研究了一个具有不同相位的神经振子群模型，并考察神经 振子群对刺激信息的处理及神经编码的动态演化. 通过对动力学模型的数值分析，在二维相 空间上描述了神经元集群内不同振子簇发放动作电位时，数密度随时间演化的图像. 数值分 析的结果表明该模型能够用来描述注意和记忆的神经动力学机制，并且证明了只有高维的神 经动力学模型才能更深刻地描述神经元集群的动力学特性，而以往的编码模型丢失了大量有 用的神经信息.     

神经能量与神经信息之间内在动力学关系初探

根据信息论的基本原理和方法,运用最小互信息和最大熵原理对神经编码进行研究和分析.通过对两个原理的基本介绍,描述了最小互信息和最大熵原理是如何用于评估神经反应中的信息量.研究结果表明神经信息的表达和神经能量的利用率密切相关,并发现高度进化的神经系统在能量的消耗和利用上严格遵循着经济性和高效性两个基本原则.为了验证神经信息处理与能量利用率的关系,提出了信能比的新概念,用于衡量最大熵原理对应神经系统在能量利用率上的经济性和高效性.并通过数值计算证实了一个猜想,即神经系统所消耗的能量反映了神经信息处理的内在规律,这为进一步研究一种崭新的神经信息处理原理——能量神经编码奠定了重要的理论基础.      

脑循环脉动流的集中参数模型

脑血管疾病和脑循环动力学异常改变密切相关．脑循环系统和体循环系统具有不完全相同的血液动力学特性．因此，临床上迫切需要一种既能反映脑循环的基本特性，又容易从中分析脑血管动力学参数的力学模型．本文在Ｗｉｌｉｓ环定常流模型的基础上，建立了描述脑循环血液脉动特性的集中参数模型，归结出了模型控制方程及求解方法．通过实例计算发现：理论计算结果和实验检测数据相当吻合，说明模型是符合生理实际的．这将为脑循环研究提供一个较理想的血液动力学模型     

神经系统疾病与认知动力学 (I) : 癫痫发作的动力学与控制

研究表明癫痫发作过程与神经系统本身的非线性动力学行为密切相关. 因此, 开展癫痫发作的非线性网络动力学建模与调控问题的研究, 有助于理解癫痫临床表征的动力学机理和定位致痫灶网络, 进而设计有效的网络调控策略. 本文回顾了癫痫脑神经疾病网络动力学与控制方面的研究进展, 系统总结了本文作者近年来在癫痫发作动力学建模分析及其调控等方面取得的研究成果. 首先, 基于海马齿状回CA3区环路神经元网络模型, 分析了影响颞叶癫痫发作的分子和网络结构因素, 阐释了癫痫发作转迁的动力学机制. 其次, 由于脑神经系统的集群编码特性, 基于神经场模型和平均场模型建模方法完善了皮质?基底节?丘脑环路网络动力学理论框架, 并基于此框架分析了失神癫痫发作转迁的动力学分岔机制, 探讨了不同类型癫痫发作的转迁路径, 发现了失神癫痫发作转迁的多稳态共存现象, 揭示了时滞对失神癫痫同步发作的控制效果, 设计了丰富有效的癫痫深脑刺激调控策略, 给出了电刺激调控失神癫痫发作的动力学解释. 最后, 通过数据驱动的统计建模和神经元群模型动力学建模分析, 提出了局灶癫痫致痫灶定位及寻找有效控制癫痫发作网络关键节点的理论新方法. 这些研究成果为理解难治性癫痫发作动力学本质及在临床诊疗的应用方面提供重要理论支撑. 最后对进一步研究给出若干建议.      

单调激活函数惯性项神经耦合系统的混沌共存

混沌及其稳态共存是神经网络系统中一个重要研究热点问题．本文基于惯性项神经元模型,利用非线性单调激活函数构造了一个惯性项神经耦合系统,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了系统平衡点以及静态分岔的类型,分析了系统两种不同模式的混沌及其稳态共存．具体来说,我们通过选取不同的初始值,利用相应的相位图和时间历程图,展现了系统混沌对初值的敏感依赖性．进一步,采用耦合强度作为动力学的分岔参数,研究了混沌产生的倍周期分岔机制,得到了单调激活函数耦合下的惯性项神经元系统混沌共存现象．     

粘接–映射混合算法及其对颗粒材料中板的振动特性分析

结构与颗粒材料相互作用广泛存在于各工程领域,其研究过程中涉及的连续–离散耦合计算方法面对诸多挑战.本文提出了粘接–映射混合算法来研究连续体与离散介质耦合动力学问题.将连续体模型划分为内部区域及与颗粒接触的边界区域.边界区域采用粘接算法模拟连续体外部形状并使用高效的球形接触判断准则;提出一种包含Rayleigh阻尼映射的有限元映射质点弹簧算法来精确计算连续体内部区域内力和变形.二者相结合构成粘接–映射混合算法,并引入计算机集群和GPU(图形处理器)并行技术,对埋没于颗粒材料中受激振动固支方板的连续–离散耦合动力学问题进行了数值仿真研究.结果表明,粘接–映射混合算法有利于双层级并行算法的程序实现及优化,并在连续–离散耦合界面进行快速接触判断的同时实现对颗粒材料中方板位移、变形、振动形态等参数的研究.通过定幅扫频和定频变幅方式考察激振力频率和幅值对振动板非线性动力学行为的影响并观察到二倍周期现象,同时给出了该连续–离散耦合系统中颗粒体系的能量耗散特性.     

化学突触耦合神经元的簇放电同步

本文研究了经化学突触耦合的两个神经元的簇放电同步以及耦合后神经元的簇放电动力学性质.根据簇相位的定义,通过计算得到兴奋性耦合导致两个神经元达到同相簇放电同步,而抑制性耦合则使得两个神经元反相同步产生簇放电.本文给出了衡量单个神经元簇动力学的指标-宽度因子,根据此指标将簇放电模式分类为短簇和长簇两种,并且讨论了不同簇放电模式以及耦合方式对于耦合后神经元簇动力学性质的影响.结果表明兴奋性耦合有利于簇放电的整合,短簇的放电模式对于耦合作用具有鲁棒性.这一结果的研究对于将来神经实验中识别簇放电同步具有指导意义.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说,近场动力学(peri-dynamics, PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法.概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热–力、湿–热–力、热–氧、热–力–氧、力–电、热–电、力–热–电、多孔介质的水–力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

生物神经元系统同步转迁动力学问题

生物神经元系统中存在着丰富的同步模式, 不同同步模式的实现条件已经被广泛地研究. 然而, 不同同步模式之间的转迁是神经动力学研究领域的难点问题, 近年来在此方面开展了许多相应的研究工作. 本文主要阐述近年来在神经元系统同步转迁动力学方面的研究进展, 揭示神经元系统在耦合、时滞和网络拓扑等不同参数作用下呈现的复杂的同步转迁动力学行为及其可能的动力学机制. 最后总结研究进展的内容并提出对同步动力学今后研究的展望.     

耦合神经元模型中的混沌巡游现象及其特性分析

混沌巡游足高维非线性动力学系统中的一种新奇、复杂的动力学行为.混沌巡游是系统沿着高维混沌轨迹,不断按顺序访问不同的低维准稳定的吸引子,并在其之间反复巡游的现象.本文通过对Morris-Lecar耦合神经元模犁的研究发现:耦合非线性系统中的混沌巡游现象既可以是一种准稳态响应(具有很长的暂态混沌巡游,最后为其它稳态响应);也可以是一种稳定的、具有混沌特性的运动形式.在混沌巡游状态下,两个神经元的动力行为表现出对称性.另外,基于胞参考点映射法得到了混沌巡游附件系统稳定运动的类型和数目随着参数变化的全局特性.研究还发现混沌巡游运动的一些新的特点,即各个Lyapunov指数在混沌巡游时具有随时间的波动性,以及混沌巡游对参数及初值的极端敏感.     

颅内压与脑血管动力学参数关系研究

许多脑血管疾病都伴有颅内压升高的现象,颅内高压又会引发脑疝危及生命,本文在对颅内血管床整体分析的基础上,通过建立脑循环血液动力学集中参数模型的方法来研究颅内压与颅内血管参数的关系,在此模型的基础上得到了状态方程并给出了求解方法。通过对方程解的分析得到一些关系图,与实验数据比较发现理论计算结果可以反映临床的一些现象,为临床无创监测颅内压提供一个新思路。     

连续介质分析动力学及其应用

综述了国内和国外学者研究连续介质分析动力学问题的进展,阐明了本文主要论述将Lagrange方程应用于连续介质动力学的问题.论文采用Lagrange-Hamilton体系,分别论述了非保守非线性弹性动力学、不可压缩黏性流体动力学、黏弹性动力学、热弹性动力学、刚–弹耦合动力学和刚–液耦合动力学的Lagrange方程及其应用.论述了应用Lagrange方程建立有限元计算模型的问题.最后,展望了将Lagrange方程应用于连续介质动力学问题的研究前景.