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.      

默认模式网络与任务正网络之间相互拮抗的神经动力学分析

任务正激活与任务负激活的工作机制是认知功能实现的基本要素.这一拮抗关系的失衡或者受损可能会引发一系列严重的退行性神经疾病，然而到目前为止，尚不清楚这种拮抗现象的神经机制.该文基于默认模式网络与任务正网络在突触层面上相互抑制的假设，并结合多种刺激条件下的工作记忆模型，进行了计算机数值模拟.研究结果表明: 1) 任务正网络与任务负网络之间在神经活动上呈现出拮抗关系； 2) 伴随着工作记忆刺激方向数目的增加，任务负网络神经活动的衰减程度会随之增大； 3) 当工作记忆相关的脑区其神经活动增加时，任务负网络的神经活动减少； 4) 并且随着工作记忆任务难度的增加，任务负网络的神经活动会迅速衰减.这些计算结果都与神经科学实验数据是匹配的.由于任务负激活是默认模式网络的主要特征，因此默认模式网络与任务正网络在突触层面上的相互抑制是这两种不同性质网络之间形成拮抗关系的根本原因.     

Exploring human rhythmic gait movement in the role of cerebral cortex signal

The rhythmic movement is a spontaneous behavior due to the central pattern generator(CPG).At present,the CPG model only shows the spontaneous behavior,butdoes not refer to the instruction regulation role of the cerebral cortex.In this paper,a modified model based on the Matsuoka neural oscillator theory is presented to better show the regulation role of the cerebral cortex signal to the CPG neuronal network.The complex interaction between the in put signal and other parameters in the CPG networkis establish...     

关于脑信号传输的神经动力学分析

运用随机相变动力学理论和方法建立了一个由感知神经元集群、中间神经元集群和运动皮层神经元集群组成的一个神经网络模型.依据所建立的模型,分别考察了串并耦合、串联耦合以及单向耦合3种情况下神经网络所表现的神经信息处理的动力学特征.研究结果表明,由给出的中枢神经系统神经信息处理的基本结构,能够大致反映反射运动和随意运动情况下神经信息处理的基本特征.数值地证明了随意运动所引发的各个局部神经网络的兴奋,特别是运动皮层神经元集群的兴奋比反射运动条件下的兴奋大得多.反映了随意运动条件下,有更多的神经元参与了神经信息处理和兴奋性同步运动.     

人体手臂阻抗控制研究

阻抗控制对于人体运动稳定性,尤其在进行不稳定任务时有着不可替代的贡献.本文由屈伸肌活性在实验测量和理论计算的误差得到启发,提出了即使在手臂平面自由运动中,肌肉的共同收缩对阻抗也有贡献的观点,运用神经肌肉骨骼模型及最优控制方法,计算出手臂运动轨迹,运动部分代人原有模型得到相似结论,把公式中的相互作用项解释为阻抗贡献,并综合多篇相关文献数据,推算出共同收缩阻抗,修正了旧有模型刚度椭圆单调变化的不足,通过仿真得到与实验基本一致的刚度椭圆图,并附加得出前后自由运动时手臂的共同收缩比左右运动时的幅度要大,对总体刚度椭圆的贡献更多".     

第一届认知神经动力学国际会议(ICCN2007)简介

第一届认知神经动力学国际会议(The First Internaetional Conference on Cognitive Neurodynamics)于2007年11月17～21日在上海华东理工大学隆重举行.     

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.     

耳蜗毛细胞活动的神经动力学分析

为了更深刻地了解耳蜗毛细胞活动的神经动力学机制，建立了基于Hodgkin-Huxley方程的毛细胞模型，通过数值模拟对不同声音频率刺激时的毛细胞膜电位、功率和能量消耗进行了神经动力学分析.研究结果表明:声音频率在0.1~20 kHz范围内，外毛细胞膜电位的衰减低于内毛细胞，而外毛细胞功率和能量消耗的增益远高于内毛细胞.外毛细胞膜电位的低衰减、功率和能量消耗的高增益支持了外毛细胞的放大作用是由电致运动驱动的.对耳蜗毛细胞膜电位、功率和能量消耗的研究结果有助于深刻了解毛细胞活动的神经动力学性质.     

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.      

Neurodynamics analysis of brain information transmission

This paper proposes a model of neural networks consisting of populations of perceptive neurons, inter-neurons, and motor neurons according to the theory of stochastic phase resetting dynamics. According to this model, the dynamical characteristics of neural networks are studied in three coupling cases, namely, series and parallel coupling, series coupling, and unilateral coupling. The results show that the indentified structure of neural networks enables the basic characteristics of neural information processing to be described in terms of the actions of both the optional motor and the reflected motor. The excitation of local neural networks is caused by the action of the optional motor. In particular, the excitation of the neural population caused by the action of the optional motor in the motor cortex is larger than that caused by the action of the reflected motor. This phenomenon indicates that there are more neurons participating in the neural information processing and the excited synchronization motion under the action of the optional motor.