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相似文献
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1.
申传胜  张季谦  陈含爽 《物理学报》2007,56(11):6315-6320
采用随机模拟方法对体系的化学朗之万方程进行了数值模拟,考察了二维耦合细胞体系中,细胞的丛状化分布对于因内噪声作用而产生的尺度选择效应所带来的影响.研究发现,当体系处于Hopf分岔点附近时,由于耦合作用使得处于最佳状态的一定数目的细胞呈现丛状化聚集在一起,而这种丛状化分布的“团队精神”可以极大地提高体系的工作效率,表现为体系对外界刺激信号的响应能力(信噪比)达到极大值.同时还观察到,体系对外界刺激最为敏感时对应的最佳细胞丛尺度大小不随耦合强度的改变而变化,而体系输出信号的信噪比,随着耦合强度的增加有增大趋势.这些现象表明,细胞的丛状化分布将极大地增强细胞中钙离子信号对外界刺激的响应效果.生物体系本身可能具有这种特性,并利用它来改善和提高感受外界信息的能力.  相似文献   

2.
《物理学报》2005,54(7):3457-3464
利用Hindmarsh-Rose(HR)神经元输出的膜电压作为刺激调整两个具有不同初始条件的非耦合HR神经元的电流输入,通过分析神经元放电峰峰间期(ISI)的分布揭示了两个神经元同步过程轨道演化的机理.在周期信号刺激下,两个具有相同参数原处于混沌状态的神经元可以 实现完全同步,且可以同步到不同于刺激信号频率的周期响应上;两个具有不同参数的神经 元可以实现相位同步,参数差别较小的两个神经元可以相位同步到与刺激信号不同频率的周 期响应上,参数差别较大的两个神经元只可能相位同步到与刺激信号相同频率的周期响应上 .混沌信号刺激两个神经元只可能同步到产生混沌信号神经元的放电模式上,可见混沌刺激 更有利于神经元信息编码与解码.分析两个被调整神经元系统的最大条件Lyapunov 指数(Lmc )与刺激强度k的关系表明当k达到某一阈值时两个系统的Lmc均为负值是两个系统实现同 步的必要条件.平均发放率相同的混沌刺激和周期刺激相比较混沌刺激更容易使两个神经元 实现同步,表明混沌刺激产生的效应更强,该结论与实验结果相符合. 关键词: 放电峰峰间期 同步 相位同步 条件Lyapunov 指数  相似文献   

3.
利用Euler数值积分的方法,研究了随机的长程关联对耦合细胞体系中钙信号传播的影响,发现当细 胞链中第一个单元受到外界刺激的作用时,由此而引起的钙点火活动会进一步激发其邻近的细胞,在随机连接的 作用下,钙信号就会在整个链中向下传递.结果表明,在该体系中加上少量的随机连接不仅能够极大地增强细胞 之间钙信号的传播能力,而且,适量的这种连接也可以使整个体系的钙离子振荡的有序性得到加强.这些现象表 明,细胞之间的随机扩散联系可能在帮助生物体系进行信息传递的过程中起着十分重要的作用.  相似文献   

4.
任国栋  武刚  马军  陈旸 《物理学报》2015,64(5):58702-058702
神经元在自突触作用下可以诱发各类放电活动的迁移, 神经元动作电位对电自突触的响应比较敏感. 通常用包含延迟因子和增益的反馈回路电流来刻画自突触对神经元动作电位的影响. 基于Pspice软件, 设计了包含自突触效应的神经元电路, 用以延迟反馈电路来模拟电自突触对电位的调制作用. 研究结果发现: 1)在外界刺激和电自突触回路协同作用下, 神经元电路输出信号可以呈现静息态, 尖峰放电, 簇放电状态. 2)在时变增大的外界刺激下和自突触回路驱动下, 神经元电路的输出电位序列在多种电活动模式之间(静息, 尖峰放电, 簇放电)交替出现, 其机理在于自突触回路具有记忆特性, 神经元对于不同的外界刺激可以做出不同模式的响应. 3)在给定比较大外界刺激下, 改变反馈回路的增益, 发现电路输出的序列也可以呈现不同模式交替, 即神经元对于相同的刺激可以通过自我调节自突触增益来产生不同模式的响应, 其机理可能在于回路的有效反馈, 这有助于理解突触的可塑性.  相似文献   

5.
孙晓娟  李国芳 《物理学报》2016,65(12):120502-120502
已有研究显示时滞可诱发神经元网络产生随机多共振,但它们主要讨论了神经元间的耦合都存在时滞的情形.然而实际中,有些神经元间的信息传递是瞬时的或时滞很小可以忽略的,即神经元网络中只有部分神经元间的耦合具有时滞,简称部分时滞(若神经元网络内共有l条耦合边,其中有l1条耦合边是具有时滞的,而剩余的耦合边的时滞为零,则我们称这类时滞为部分时滞).本文以Watts-Strogatz小世界神经元网络为研究对象,主要讨论部分时滞对该神经元网络系统响应强度的影响.研究结果指出,系统响应强度随部分时滞的增加呈现多峰的变化态势,即部分时滞可诱发随机多共振现象;而且使系统响应强度达到最优水平的部分时滞的取值区间随随机时滞边概率的增加渐渐变窄,当随机时滞边概率足够大时,系统响应强度只有在时滞位于外界信号周期的整数倍附近才会达到最优.此外,我们还分析了随机连边概率和神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振现象的影响.结果显示,部分时滞诱发的随机多共振现象对随机连边概率具有一定的鲁棒性,而神经元网络中边的总数对部分时滞诱发的随机多共振的影响则较大.  相似文献   

6.
研究了在外界刺激电流的作用下,随机的长程关联对耦合的Hindmarsh-Rose神经元放电模式转变的影响.结果表明,当耦合强度较弱时,在神经元网络中加入一定数量的随机的长程关联,神经元的放电模式会从较少的周期态转变到较多的周期态;当耦合强度较强时,在神经元网络中加入一定数量的随机长程关联,神经元的放电模式会产生相反的转变,即从较多的周期态转变到较少的周期态.同时还简单讨论了神经系统的尺度大小和神经元之间的耦合强度,以及不同外界刺激条件下放电模式的强度与临界特性之间的关系.  相似文献   

7.
孙润智  汪治中  汪茂胜  张季谦 《物理学报》2015,64(11):110501-110501
本文采用数值模拟的方法, 在通过电突触耦合或化学突触耦合的二维格子神经元网络中, 研究了FitzHugh-Nagumo神经元受到双频信号输入时神经元网络对低频信号的响应特性. 结果表明:当固定受到双频输入信号的神经元在体系中所占的比例且FitzHugh-Nagumo神经元参数处于可激发区域时双频信号中的高频部分可诱导出动作电位产生, 而且随着高频输入信号强度的增加, 神经元网络对低频输入信号响应先增大后减小, 出现了极大值, 即发生了振动共振现象. 另外本文还研究了神经元网络对低频输入信号的二次谐波的响应, 同样发现了非线性振动共振现象, 并且体系对低频信号的响应随着其频率ω 的增加也产生共振现象, 即发生了双共振现象. 上述共振现象在以电突触耦合的二维格子神经元网络中和以化学突触耦合的二维格子神经元网络中都可以观察到. 当固定双频输入信号中高频输入信号强度时, 随着受到双频输入信号的神经元在体系中所占比例的变化, 电突触耦合的二维格子神经元网络对低频输入信号的响应与化学突触耦合的二维格子神经元网络对低频输入信号的响应相比有很大的不同.  相似文献   

8.
细胞钙振荡对周期信号的响应和胞间同步   总被引:2,自引:0,他引:2  
应阳君  黄祖洽 《计算物理》2001,18(5):412-416
钙离子是细胞中一种很重要的第二信使,通常它以细胞质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,在有些组织如肝脏中,虽然不同的肝细胞个体可以具有非常不同的本征振荡频率,钙振荡却往往以扫过整个肝小叶的周期波的同步形式出现,表明细胞钙振荡在某种耦合因素作用下互相锁相,对一个典型的细胞钙振荡数学模型,通过数值模拟,研究了振荡对外界周期性刺激信号的响应,以及不同细胞之间通过细胞间接头耦合的同步特性。  相似文献   

9.
于文婷  张娟  唐军 《物理学报》2017,66(20):200201-200201
神经元膜电位的受激发放在神经系统的信息传递中起着重要作用.基于一个受动态突触刺激的突触后神经元发放模型,采用数值模拟和傅里叶变换分析的方法研究了动态突触、神经耦合与时间延迟对突触后神经元发放的影响.结果发现:突触前神经元发放频率与Hodgkin-Huxley神经元的固有频率发生共振决定了突触后神经元发放的难易,特定频率范围内的电流刺激有利于神经元激发,动态突触输出的随机突触电流中这些电流刺激所占的比率在很大程度上影响了突触后神经元的发放次数;将突触后神经元换成神经网络后,网络中神经元之间的耦合可以促进神经元的发放,耦合中的时间延迟可以增强这种促进作用,但是不会改变神经耦合对神经元发放的促进模式.  相似文献   

10.
感觉神经系统可在外界刺激与生物体反应之间建立联系.感觉神经系统中的最小单位神经元可直接将外界刺激传递至中枢神经,再由中枢神经通过控制和调节生物体对外界刺激作出反应.神经突触连接了相邻神经元进行脉冲信息传递功能.习惯化是神经突触在信息传递中过滤外界无关信息时的一个基本特性,可以让感觉神经系统更快速地适应外界环境变化.忆阻器模拟神经突触功能在近年获得进展,然而针对以忆阻器为基础的具有习惯化特性的神经突触以及完整神经系统的研究相对匮乏.本文利用磁控溅射技术制备了厚度约为40 nm且含铝纳米颗粒的氮化铝薄膜忆阻器,并发现这种结构忆阻器对于重复的外界刺激有明显的习惯化行为,该行为与感觉神经系统的习惯化特性极为相似.若将这种具有习惯化的神经突触与感觉神经元串联,可形成LIF(leaky integrate-and-fire)生物模型模拟完整的神经系统行为,也为忆阻器在第三代神经网络(脉冲神经网络)中的应用提供理论参考.  相似文献   

11.
孔令尧 《物理学报》2018,67(13):137506-137506
具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.  相似文献   

12.
The collective dynamics of a network of coupled excitable systems in response to an external stimulus depends on the topology of the connections in the network. Here we develop a general theoretical approach to study the effects of network topology on dynamic range, which quantifies the range of stimulus intensities resulting in distinguishable network responses. We find that the largest eigenvalue of the weighted network adjacency matrix governs the network dynamic range. When the largest eigenvalue is exactly one, the system is in a critical state and its dynamic range is maximized. Further, we examine higher order behavior of the steady state system, which predicts that networks with more homogeneous degree distributions should have higher dynamic range. Our analysis, confirmed by numerical simulations, generalizes previous studies in terms of the largest eigenvalue of the adjacency matrix.  相似文献   

13.
We study the collective temporal coherence of a small-world network of coupled stochastic Hodgkin-Huxley neurons. Previous reports have shown that network coherence in response to a subthreshold periodic stimulus, thus subthreshold signal encoding, is maximal for a specific range of the fraction of randomly added shortcuts relative to all possible shortcuts, p, added to an initially locally connected network. We investigated this behavior further as a function of channel noise, stimulus frequency and coupling strength. We show that temporal coherence peaks when the frequency of the external stimulus matches that of the intrinsic subthreshold oscillations. We also find that large values of the channel noise, corresponding to small cell sizes, increases coherence for optimal values of the stimulus frequency and the topology parameter p. For smaller values of the channel noise, thus larger cell sizes, network coherence becomes insensitive to these parameters. Finally, the degree of coupling between neurons in the network modulates the sensitivity of coherence to topology, such that for stronger coupling the peak coherence is achieved with fewer added short cuts.  相似文献   

14.
磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构   总被引:2,自引:0,他引:2       下载免费PDF全文
张志东 《物理学报》2015,64(6):67503-067503
首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用.  相似文献   

15.
By investigating a stochastic model for intracellular calcium oscillations proposed by Höfer, we have analyzed the transmission behavior of calcium signaling in a one-dimensional two-way coupled hepatocytes system. It is shown that when the first cell is subjected to the external noise, the output signal-to-noise ratio (SNR) in the cell exhibits two maxima as a function of external noise intensity, indicating the occurrence of stochastic bi-resonance (SBR). It is more important that when cells are coupled together, the resonant behavior in the 1st cell propagates along the chain with different features through the coupling effect. The cells whose locations are comparatively close to or far from the 1st cell can show SBR, while the cells located in the middle position can display stochastic multi-resonance (SMR). Furthermore, the number of cells that can show SMR increases with coupling strength enhancing. These results indicate that the cells system may make an effective choice in response to external signaling induced by noise, through the mechanism of SMR by adjusting coupling strength.  相似文献   

16.
We theoretically propose a reconfigurable two-dimensional(2 D) hexagonal sonic crystal with higher-order topology protected by the six-fold,C_6,rotation symmetry.The acoustic band gap and band topology can be controlled by rotating the triangular scatterers in each unit cell.In the nontrivial phase,the sonic crystal realizes the topological spin Hall effect in a higher-order fashion:(i) the edge states emerging in the bulk band gap exhibit partial spin-momentum correlation and are gapped due to the reduced spatial symmetry at the edges.(ii) The gapped edge states,on the other hand,stabilize the topological corner states emerging in the edge band gap.The partial spin-momentum correlation is manifested as pseudo-spin-polarization of edge states away from the time-reversal invariant momenta,where the pseudospin is emulated by the acoustic orbital angular momentum.We reveal the underlying topological mechanism using a corner topological index based on the symmetry representation of the acoustic Bloch bands.  相似文献   

17.
The topological hypothesis states that phase transitions should be related to changes in the topology of configuration space. The necessity of such changes has already been demonstrated. We characterize exactly the topology of the configuration space of the short range Berlin-Kac spherical model, for spins lying in hypercubic lattices of dimension d. We find a continuum of changes in the topology and also a finite number of discontinuities in some topological functions. We show, however, that these discontinuities do not coincide with the phase transitions which happen for d > or = 3, and conversely, that no topological discontinuity can be associated with them. This is the first short range, confining potential for which the existence of special topological changes are shown not to be sufficient to infer the occurrence of a phase transition.  相似文献   

18.
由于丰富的拓扑量子效应及巨大的潜在应用价值,拓扑材料逐渐成为凝聚态物理前沿的研究材料体系。其中,作为与石墨烯具有相似电子结构的材料,三维拓扑半金属吸引了越来越多的研究兴趣。目前已知的拓扑半金属大多为非磁性的,而磁性拓扑半金属数量有限,与非磁性拓扑半金属相比较,研究开展的还比较少。磁性与拓扑之间的相互作用能够导致非常规的物理性质,如反常霍尔效应甚至量子反常霍尔效应等。此外,在一些具有特殊磁结构的拓扑半金属中,施加外磁场能够调制其自旋结构,从而影响其拓扑能带结构。在该综述中,笔者将详细介绍利用外磁场在 EuCd2Pn2 (Pn = As, Sb) 反铁磁半金属材料中通过调制自旋结构从而改变晶体结构对称性来诱导拓扑相变。此外,笔者也将简单介绍包括 GdPtBi 和 MnBi2Te4 在内的几个相关材料。该综述中讨论的外磁场调控的磁交换诱导的拓扑相变不仅有望应用于拓扑器件,也有助于为理解磁性与拓扑态之间的紧密关联提供新的线索,对于设计新的磁性拓扑材料有启发意义。综述最后,笔者对发展磁性拓扑半金属做了一些简单展望。  相似文献   

19.
Previous studies have observed that electromagnetic induction can seriously affect the electrophysiological activity of the nervous system. Considering the role of astrocytes in regulating neural firing, we studied a simple neuron–astrocyte coupled system under electromagnetic induction in response to different types of external stimulation. Both the duration and intensity of the external stimulus can induce different modes of electrical activity in this system, and thus the neuronal firing patterns can be subtly controlled. When the external stimulation ceases, the neuron will continue to fire for a long time and then reset to its resting state. In this study, "delay" is defined as the delayed time from the firing state to the resting state, and it is highly sensitive to changes in the duration or intensity of the external stimulus. Meanwhile, the self-similarity embodied in the aforementioned sensitivity can be quantified by fractal dimension. Moreover, a hysteresis loop of calcium activity in the astrocyte is observed in the specific interval of the external stimulus when the stimulus duration is extended to infinity, since astrocytic calcium or neuron electrical activity in the resting state or during periodic oscillation depends on the initial state. Finally, the regulating effect of electromagnetic induction in this system is considered. It is clarified that the occurrence of "delay" depends purely on the existence of electromagnetic induction. This model can reveal the dynamic characteristics of the neuron–astrocyte coupling system with magnetic induction under external stimulation. These results can provide some insights into the effects of electromagnetic induction and stimulation on neuronal activity.  相似文献   

20.
Acoustical signal transduction in the cochlea is an active process that involves nonlinear amplification and spontaneous otoacoustic emissions. Signal transduction involves individual subunits composed of globally coupled hair cells, which can be modeled as oscillators close to a Hopf bifurcation. The coupling may induce a transition toward synchronization, which in turn leads to a strong nonlinear response. In the model studied here, the synchronization transition of the subunit is discontinuous (explosive) in the absence of an external stimulus. We show that, in the presence of an external stimulus and for a coupling strength slightly lower than the critical value leading to explosive synchronization, the response of the subunit has better frequency selectivity and a larger signal-to-noise ratio. From physiological observations that subunits are themselves coupled together, we further propose a model of the complete cochlea, accounting for the ensemble of frequencies that the organ is able to detect.  相似文献   

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