Pre-B?tzinger复合体的从簇到峰放电的同步转迁及分岔机制

Pre-Bötzinger复合体是兴奋性耦合的神经元网络,通过产生复杂的放电节律和节律模式的同步转迁参与调控呼吸节律.本文选用复杂簇和峰放电节律的单神经元数学模型构建复合体模型,仿真了与生物学实验相关的多类同步节律模式及其复杂转迁历程,并利用快慢变量分离揭示了相应的分岔机制.当初值相同时,随着兴奋性耦合强度的增加,复合体模型依次表现出完全同步的“fold/homoclinic”,“subHopf/subHopf”簇放电和周期1峰放电.当初值不同时,随耦合强度增加,表现为由“fold/homoclinic”,到“fold/fold limit cycle”、到“subHopf/subHopf”与“fold/fold limit cycle”的混合簇放电、再到“subHopf/subHopf”簇放电的相位同步转迁,最后到反相同步周期1峰放电.完全(同相)同步和反相同步的周期1节律表现出了不同分岔机制.反相峰同步行为给出了与强兴奋性耦合容易诱发同相同步这一传统观念不同的新示例.研究结果给出了preBötzinger复合体的从簇到峰放电节律的同步转迁规律及复杂分岔机制,反常同步行为丰富了非线性动力学的内涵.     

Interpreting a period-adding bifurcation scenario in neural bursting patterns using border-collision bifurcation in a discontinuous map of a slow control variable

<正>To further identify the dynamics of the period-adding bifurcation scenarios observed in both biological experiment and simulations with the differential Chay model,this paper fits a discontinuous map of a slow control variable of the Chay model based on simulation results.The procedure of period adding bifurcation scenario from period k to period k + 1 bursting(k = 1,2,3,4) involved in the period-adding cascades and the stochastic effect of noise near each bifurcation point is also reproduced in the discontinuous map.Moreover,dynamics of the border-collision bifurcation are identified in the discontinuous map,which is employed to understand the experimentally observed period increment sequence.The simple discontinuous map is of practical importance in the modeling of collective behaviours of neural populations like synchronization in large neural circuits.     

CdTe QDs/Au NRs的SERS及光诱导电荷转移研究

控制和利用半导体基底的荧光背景是解决半导体纳米材料应用在表面增强拉曼(SERS)领域的关键问题。该研究通过将具有高荧光背景的碲化镉量子点(CdTe QDs)与贵金属金纳米棒(Au NRs)纳米材料复合,依赖于光激发下CdTe QDs与Au NRs之间的电荷转移,获得了兼具多功能特性(例如表面增强拉曼散射和光催化)的纳米复合材料。在该研究中,将染料分子亚甲基蓝(MB)作为探针分子,CdTe QDs/Au NRs纳米复合材料的之间的电荷转移降低了CdTe QDs的荧光背景,展现出良好的SERS增强性能。     

硫叶立德[2,3]-σ重排反应迁移基团活性研究

设计并完成了过渡金属铑、铜化合物等的催化下,苯基重氮乙酸乙酯与不同硫醚的硫叶立德[2,3]-σ重排反应.通过1H NMR方法测定混合产物的比例,比较烯丙基、炔丙基与联烯基等不同取代硫醚的反应活性,得到这些迁移基团在硫叶立德[2,3]-σ重排反应中的竞争顺序,以及不同类型催化体系对反应的影响.实验结果为进一步理解和应用该反应提供数据支持.     

白噪声诱发Morris-Lecar模型构成的Ⅱ型兴奋网络产生多次空间相干共振

为研究噪声在网络中的作用及对时空行为的影响, 通过电耦合、近邻连接的Morris-Lecar模型构建了同质可兴奋细胞网络. 单元振子的确定性行为表现为Ⅱ型兴奋性的静息. 在高斯白噪声的作用下, 网络会在较大的噪声强度范围产生螺旋波, 以及在某些较小的噪声强度范围产生杂乱的空间结构. 随着噪声强度的增加, 螺旋波的结构会在简单和复杂之间转换, 或与杂乱的空间结构交替出现. 通过空间结构函数及其信噪比的计算, 发现简单螺旋波的信噪比较大, 复杂螺旋波以及杂乱的时空结构的信噪比较小. 信噪比随着噪声强度的增加会出现多次极大值, 说明白噪声可以在可兴奋细胞网络中诱导多次空间相干共振. 研究结果提示现实的可兴奋系统能有多次机会选择不同强度的噪声加以合理利用.     

Stochastic Signal Induced Multiple Spatial Coherence Resonances and Spiral Waves in Excitable Media

Multiple spatial coherence resonances and spiral waves with various temporal-spatial structures are simulated in a two-dimensional network of excitable cells driven by a stochastic signal. The relationship between the multiple resonances and correspondingly different transitions of the spiral wave are elucidated. The results further provide a possible approach of applications of stochastic signal to evoke pattern transitions in excitable media.     

利用相位响应曲线解释抑制性反馈增强神经电活动

在众多实验和理论研究中已经发现自突触通过自反馈电流调节神经元电活动和网络时空行为来实现生理功能.本文通过理论研究,发现在一些合适的时滞下,抑制性自反馈电流能引起放电频率增加,这是不同于传统结果—抑制性作用引起频率降低的新发现.进一步,对于没有自反馈的神经元,发现在作用相位合适的抑制性脉冲电流的作用下,放电的相位会提前,导致放电频率增加,这就表现出对应Hopf分岔的II型相位响应曲线的特征.引起放电频率增加的抑制性脉冲刺激的相位与自反馈的时滞相对应,这也就给出了自反馈能够引起放电频率增强的原因.最后,发现抑制性自反馈的时滞较长或耦合强度较大时,噪声诱发的神经元放电峰-峰间期的变异系数较小,也就是放电精确性提高,与实验发现的慢抑制性自突触诱发放电精确性增加的结果相一致.研究结果揭示了负反馈能增强系统响应这一新现象和相应的非线性动力学机制,提供了调控神经电活动的新手段,有助于认识现实神经系统的自突触的潜在功能.     

Spiral Waves and Multiple Spatial Coherence Resonances Induced by Colored Noise in Neuronal Network

Gaussian colored noise induced spatial patterns and spatial coherence resonances in a square lattice neuronal network composed of Morris-Lecar neurons are studied.Each neuron is at resting state near a saddle-node bifurcation on invariant circle,coupled to its nearest neighbors by electronic coupling.Spiral waves with different structures and disordered spatial structures can be alternately induced within a large range of noise intensity.By calculating spatial structure function and signal-to-noise ratio(SNR),it is found that SNR values are higher when the spiral structures are simple and are lower when the spatial patterns are complex or disordered,respectively.SNR manifest multiple local maximal peaks,indicating that the colored noise can induce multiple spatial coherence resonances.The maximal SNR values decrease as the correlation time of the noise increases.These results not only provide an example of multiple resonances,but also show that Gaussian colored noise play constructive roles in neuronal network.     

相位噪声诱发神经放电的单次或两次相干共振

神经元电活动可以从静息通过Hopf分岔到放电,放电频率有固定周期;也可以从静息通过鞍-结分岔到放电,放电频率接近零.在具有周期性的相位噪声作用下的Hopf分岔和鞍-结分岔点附近,都会产生相干共振.噪声的周期小于Hopf分岔点附近的放电的周期时,相位噪声可以引起神经系统产生一次相干共振,位于系统内在的固有频率附近;噪声的周期大于系统的固有周期时,相位噪声可以引起双共振,对应低噪声强度的共振产生在噪声频率附近,对应高噪声强度的共振产生在系统的固有频率附近;并对双共振的产生原因进行了解释.在鞍-结分岔点附近,无论噪声的周期是大是小,都只会引起一次共振,研究结果不仅揭示了相位噪声作用下平衡点分岔点相干共振的动力学特性和对应于两类分岔的两类神经兴奋性的差别,还对近期的相位噪声诱发产生单或双共振的不同研究结果给出了解释.