在兴奋-抑制混沌神经元网络中有序波的自发形成

大脑皮层在一定条件下可以自发出现螺旋波和平面波,为了了解这些有序波的产生机制,构造了一个双层的二维神经元网络.该网络由最近邻兴奋性耦合和长程抑制性耦合层组成,采用修改后的Hindmarsh-Rose神经元模型研究了该混沌神经元网络从具有随机相位分布的初态演化是否能自发出现各种有序波.数值模拟结果表明:当抑制性耦合强度比较小时,系统一般不会自发出现有序波;在兴奋性耦合强度足够大的情况下,抑制性耦合强度越大,系统越容易产生有序波.系统出现不同的有序波与系统初态和耦合强度有密切关系,适当选择兴奋性和抑制性耦合的耦合强度,系统会自发出现迷宫斑图、平面波、单螺旋波、多螺旋波、旋转方向相反的螺旋波对、双臂螺旋波、靶波、向内方形波等有序波斑图.螺旋波、迷宫斑图和内向方形波出现概率分别达到27.5%, 21.5%和10.0%,这里的迷宫斑图是由不同传播方向的许多平面波组成,其他有序波出现概率比较小.研究结果有助于理解发生在大脑皮层中的自组织现象.     

神经元网络中局部同步引发的各种效应

在大脑皮层中,神经元大范围的同步放电可以引发癫痫,而癫痫发作期间可以自发出现螺旋波,大量神经元的同步放电与螺旋波自发产生之间的关系目前仍不清楚.本文通过增加水平长程连接构造了具有局域长程耦合区的二维神经元网络,采用Morris-Lecar神经元模型研究了具有多个长方形长程耦合区的神经元网络中波的传播,数值模拟结果表明:传播方向与长程耦合朝向平行的平面波和靶波经过长程耦合区会导致长程耦合区内的神经元同步激发,这种同步激发伴随一部分神经元延迟激发,而另一部分提前激发;当长程耦合区宽度超过临界宽度时,长程耦合区所有神经元延迟激发;当长程耦合区宽度超过最大导通宽度时,波将不能通过长程耦合区.当适当选择长方形长程耦合区的尺寸时,神经元同步激发可使网络出现波回传效应和具有波传播方向的选择性,而且这种波传播方向的选择性对神经元是否处于定态和耦合强度变化很敏感,以致高频平面波列可以部分通过宽度超过最大导通宽度的长程耦合区,因此可以通过对长程耦合区内的神经元施加微扰来控制低频波是否可以通过一定宽度的长程耦合区.对于适当选取的神经元网络结构,当平面波或靶波经过长程耦合区时,网络可自发出现自维持平面波、螺旋波和靶波等现象.本文对产生这些现象的物理机制作了分析.     

在具有排斥耦合的神经元网络中有序斑图的熵测量

脑神经网络在一定条件下可以自发出现行波、驻波、螺旋波,这些有序时空斑图的出现往往与某种神经疾病有关,但是其产生的机制尚未完全清楚,如何定量描述这些时空斑图的性质仍需要探索,为了解决这些问题,本文采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究了具有排斥耦合的二维双耦合层神经元网络从混沌初相位开始演化的动力学行为,并用改进的集团熵来描述神经元网络的时空斑图.数值模拟结果表明:排斥耦合既可以促进有序斑图的形成,也可以抑制有序斑图的形成.适当选择排斥和兴奋性耦合强度,排斥耦合可导致单螺旋波、多螺旋波、行波、螺旋波和靶波与其他态共存、行波与驻波共存等有序斑图出现,螺旋波、行波出现概率分别达到0.4555和0.1667.靶波与其他态共存和行波与驻波共存出现概率分别达到0.0389和0.1056,我们提出的集团熵可以较好区分这些有序斑图和混沌态.当排斥耦合强度足够大时,网络一般处于混沌态.当网络处于弱耦合状态时,通过计算集团熵发现网络可以出现很大集团,这些结果有助于理解在实验中观察到的现象,从而能为神经疾病治疗提供帮助.     

Hindmarsh-Rose神经元阵列自发产生螺旋波的研究

采用Hindmarsh-Rose(HR)神经元模型,研究了二维神经元阵列系统从一个具有随机相位分布的初态演化最终是否能自发产生螺旋波的问题.数值结果表明:系统是否出现螺旋波与单个HR神经元的状态、系统的初态和耦合强度有关,其中单个HR神经元的振荡状态起主要作用.当单个HR神经元处于一周期振荡态时,在一定的耦合强度范围内系统都会自发出现多个螺旋波和螺旋波对,出现螺旋波与系统初态无关,只要适当选择耦合强度,在系统中可以出现单个螺旋波.当耦合强度超过某一阈值后,继续增加耦合强度,系统会呈现三种不同的动力学行为,分别与三类初态有关.系统从第一类初态演化将偶尔出现单个螺旋波,系统从第二类和第三类初态演化将分别出现间歇性全局同步振荡和振荡死亡.当单个神经元处于二周期态时,只有当系统神经元的初相位比较均匀分布时,系统才能自发出现螺旋波,而且出现螺旋波的耦合强度范围大为减少.当神经元处于更高的周期态时,系统一般不容易自发出现螺旋波.这些结果有助于人们了解大脑皮层自发产生螺旋波的机制.     

耦合可激发介质中螺旋波的控制研究

采用Br模型研究了三层耦合可激发介质中螺旋波的控制.相邻层之间采用双向耦合.利用加在第二层介质上的局域周期信号产生的平面波来消除螺旋波.数值模拟表明:只有当三层介质的耦合满足一定条件才可能实现螺旋波的控制,可以通过耦合互补方式实现螺旋波的控制;平面波与低频螺旋波的相互作用可以产生高频螺旋波,导致螺旋波不能被消除;存在优化的驱动宽度,过大或过小的驱动宽度需要增加第一、三层介质的耦合强度.观察到控制结果依赖控制时机的现象.研究结果可用于植入式心脏除颤器的设计.     

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.     

两层耦合可激发介质中螺旋波转变为平面波

采用Br-Eiswirth模型研究了两层耦合可激发介质中螺旋波的动力学,两层介质通过网络连接,即在每一层介质上,每一列选一个可激发单元作为中心点,在一层介质上同一列的可激发单元只与另一层介质上对应的中心点及其8个邻居有耦合.数值模拟结果表明:通过这种局部耦合,在适当小的耦合强度下两耦合螺旋波可实现同步,增大耦合强度会导致螺旋波漫游和漂移,造成螺旋波不同步,观察到螺旋波与静息态、低频平面波和不规则斑图共存现象.在适当强的耦合强度下,还观察到两螺旋波转变成同步的平面波消失现象.对产生这些现象的物理机理做了讨论.     

心脏中的螺旋波和时空混沌的抑制研究

以Luo-Rudy相I心脏模型为基础,研究心脏中螺旋波和时空混沌的控制,提出了两种控制方法: (Ⅰ)通过交替改变细胞外钾离子浓度来产生平面波,再利用弱外电场辅助平面波抑制螺旋波和时空混沌; (Ⅱ)先提高细胞外钾离子浓度,然后利用外电场激发波的方式产生平面波,再用平面波去抑制螺旋波和时空混沌. 研究结果表明,只要适当选择控制参数,这两种方法都能够有效抑制螺旋波和时空混沌. 当心肌出现局部缺血时,在心肌缺血处就会出现高的细胞外钾离子浓度,在这种情况下, 可以采用电场发射波的方法来抑制心脏中的螺旋波和时空混沌.对这些控制方法的优点和控制机制做了解释.     

随机边界诱导Izhikevich神经元网络的时空模式转换

在随机边界条件下构建由200×200个Izhikevich神经元组成的方形网络，并利用计算机模拟计算方形网络的时空特性和同步因子，对神经元的放电模式、分岔现象以及方形网络的时空模式和同步性质进行研究。研究结果表明：在相同电流刺激和耦合强度下，由不同放电模式Izhikevich神经元构建的方形网络中，仅当神经元处于Regular Spiking放电模式下才能在网络中观察到螺旋波种子的出现和消失；对于其他放电模式(Fast Spiking, Chattering和Intrinsically Bursting)的Izhikevich神经元构建的方形网络，则无法观察到螺旋波种子的出现。当外界电流刺激恒定时，只有当神经元之间的耦合强度为中等大小时才可在方形网络中观察到螺旋波种子的出现和消亡，相对较小或较大的耦合强度不能诱导神经元网络出现螺旋波种子。对方形神经网络中的同步因子研究发现同步因子随耦合强度的变化存在类似“反共振”的形式。     

梯度耦合下神经元网络中靶波和螺旋波的诱发研究

神经系统内数量众多的神经元电活动的群体行为呈现一定的节律性和自组织性. 当网络局部区域存在异质性或者受到持续周期性刺激, 则在网络内诱发靶波, 且这些靶波如'节拍器'可调制介质中行波的诱发和传播. 基于Hindmarsh-Rose 神经元模型构造了最近邻连接下的二维神经元网络, 研究在非均匀耦合下神经元网络内有序波的诱发问题. 在研究中, 选定网络中心区域的耦合强度最大, 从中心向边界的神经元之间的耦合强度则按照阶梯式下降. 研究结果表明, 在恰当的耦合梯度下, 神经元网络内诱发的靶波或螺旋波可以占据整个网络, 并有效调制神经元网络的群体电活动, 使得整个网络呈现有序性. 特别地, 当初始值为随机值时, 梯度耦合也可以诱发稳定的有序态. 这种梯度耦合对网络群体行为调制的研究结果有助于理解神经元网络的自组织行为.     

Elimination of Anti-spiral Waves by Local Inhomogeneity in Oscillatory Systems

采用系统中的局部不均匀性消除振荡系统中的反螺旋波. 该不均匀性在系统中成为一个波源,不断产生稳定的相波. 研究结果发现,不均匀性的尺寸大小存在一个临界值,如果低于此临界值,则系统将无法激发任何相波. 根据不均匀性形状的不同,系统分别产生靶波和行波. 此外,实验还发现靶波与反螺旋波之间以及行波与反螺旋波之间存在着不同的动态竞争. 数值计算表明,对于行波,无论是低频行波还是高频行波,都可以成功地消除系统中的反螺旋波;而对于靶波,只有低频靶波才可以消除反螺旋波. 此控制方法简单易行,且同样适用于消除向外传播的螺旋波     

Dynamical evolution of spatiotemporal patterns in mammalian middle cortex

The spatiotemporal structure of brain oscillations are important in understanding neural function. We analyze oscillatory episodes from isotropic preparations from the middle layers of a mammalian cortex which display irregular and chaotic spatiotemporal wave activity, within which spontaneously emerge spiral and plane waves. The dimensionality of these dynamics shows a consistent decrease during the middle of these episodes, regardless of the presence of simple spiral or plane waves. It is important to define the relevant biological order parameters which govern these dynamical bifurcations.     

Delay-enhanced coherence of spiral waves in noisy Hodgkin-Huxley neuronal networks

We study the spatial dynamics of spiral waves in noisy Hodgkin-Huxley neuronal ensembles evoked by different information transmission delays and network topologies. In classical settings of coherence resonance the intensity of noise is fine-tuned so as to optimize the system's response. Here, we keep the noise intensity constant, and instead, vary the length of information transmission delay amongst coupled neurons. We show that there exists an intermediate transmission delay by which the spiral waves are optimally ordered, hence indicating the existence of delay-enhanced coherence of spatial dynamics in the examined system. Additionally, we examine the robustness of this phenomenon as the diffusive interaction topology changes towards the small-world type, and discover that shortcut links amongst distant neurons hinder the emergence of coherent spiral waves irrespective of transmission delay length. Presented results thus provide insights that could facilitate the understanding of information transmission delay on realistic neuronal networks.     

三层弱循环耦合可激发介质中螺旋波动力学

采用Bär模型研究了具有循环反馈耦合的三层可激发介质中的螺旋波动力学行为,数值模拟结果显示: 在耦合强度较小时, 在各子系统中可观察到螺旋波漂移或漫游; 当耦合强度稍大时, 相互作用既可以使螺旋波漫游或漂移出系统边界而使子系统回到静息态,还可以使子系统的螺旋波态转变为靶波或湍流态, 并观察到子系统的渐近态依赖初值现象; 继续增大耦合强度, 三个子系统的螺旋波可达到近似广义同步; 当耦合强度更大时, 螺旋波演化为湍流态.     

Spiral structure and the dynamics of galaxies

A theory is proposed to explain the persistence of spiral structure in flat stellar systems. It is shown in a linear theory that spiral waves can grow spontaneously owing to star-wave interaction. The quasi-stationary spiral structure observed in actual galaxies is explained by the non-linear interaction of the growing stellar wave and the interstellar gas. It is shown that this interaction results in the time-asymptotic limit in a constant amplitude of the spiral wave. Finally we develop a quasi-linear theory of flat stellar systems that adequately can describe the properties of the stellar spiral waves on time-scales of the order of the life-time of these systems, provided the amplitude of the spiral wave does not become too large.     

间接延迟耦合可激发介质中螺旋波的演化

采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论. 关键词： 螺旋波 被动介质 时间延迟耦合 同步