负反馈诱发神经电振荡的反常现象的复杂动力学

传统观念认为,负反馈容易使系统达到稳定平衡点而正反馈容易引起振荡.本研究基于神经元理论模型,提出了负反馈可以诱发稳定平衡点、也就是静息、变为振荡、也就是放电的新观点.在Hopf分岔点附近,作用在静息上的一次足够大的负向脉冲电流的抑制性刺激,能够引起一个动作电位及随后的衰减振荡的后电位;而能够在后电位上诱发出动作电位的负脉冲电流强度阈值也是衰减振荡的.在模型中,引入具有时滞($\tau$)的负反馈来模拟抑制性自突触,一个动作电位诱发的负反馈自突触电流会作用到比动作电位延迟$\tau$的后电位上.随时滞增加,能够诱发出放电的负反馈增益强度阈值呈现出具有衰减振荡特点的类似多重相干共振的特性,衰减振荡的周期与电流阈值曲线的周期以及分岔点附近的放电周期相关.另外,负反馈还能诱发出放电与静息共存的复杂行为.本研究的结果不仅揭示了负反馈的新的反常调控作用,还有助于理解在现实神经系统中存在的慢抑制性自突触的潜在功能.      

一类位于加周期分岔中的貌似混沌的随机神经放电节律的识别

识别非周期神经放电节律是混沌还是随机一直是一个重要的科学问题. 在神经起步点实验中发现了一类介于周期k和周期k+1(k=1,2)节律之间非周期自发放电节律, 其行为是长串的周期k簇和周期k+1簇的交替. 确定性理论模型Chay模型展示出了周期k和周期k+1节律的共存行为. 噪声在共存区诱发出了与实验结果类似的非周期节律, 说明该类节律是噪声引起的两类簇的跃迁. 非线性预报及其回归映射揭示该节律具有确定性机理; 将两类簇分别转换为0和1得到一个二进制序列, 对该序列进行概率分析获得了两类簇跃迁的随机机理. 这不仅说明该节律是具有确定性结构的随机节律而不是混沌, 还为深入识别现实神经系统的混沌和随机节律提供了典型示例和有效方法.     

Chay模型混沌节律的非稳定周期轨道

在描写神经放电的理论模型（Cahy模型）中发现有位于加周期分岔过程中的混沌节律。利用So的非稳定周期轨道检测算法研究了位于周期2和周期3之间的混沌节律的非稳定周期轨道。结果发现，靠近周期2的混沌节律中只能检测出显著的非稳定周期2轨道，而靠近周期3的混沌节律中不仅可以检测出非稳定周期2轨道，还可以检测出非稳定周期3轨道；并且该非稳定周期2轨道位置与稳定周期2位置相似，非稳定周期3位置与稳定周期3位置类似。这表明，非稳定周期轨道在神经混放电节律的动力学起着重要作用；非稳定周期轨道的结构决定着混沌节律的特征，可以用来区分混沌节律。     

负反馈诱发神经电振荡的反常现象的复杂动力学

传统观念认为,负反馈容易使系统达到稳定平衡点而正反馈容易引起振荡.本研究基于神经元理论模型,提出了负反馈可以诱发稳定平衡点–也就是静息–变为振荡–也就是放电的新观点.在Hopf分岔点附近,作用在静息上的一次足够大的负向脉冲电流的抑制性刺激,能够引起一个动作电位及随后的衰减振荡的后电位;而能够在后电位上诱发出动作电位的负脉冲电流强度阈值也是衰减振荡的.在模型中,引入具有时滞(τ)的负反馈来模拟抑制性自突触,一个动作电位诱发的负反馈自突触电流会作用到比动作电位延迟τ的后电位上.随时滞增加,能够诱发出放电的负反馈增益强度阈值呈现出具有衰减振荡特点的类似多重相干共振的特性,衰减振荡的周期与电流阈值曲线的周期以及分岔点附近的放电周期相关.另外,负反馈还能诱发出放电与静息共存的复杂行为.本研究的结果不仅揭示了负反馈的新的反常调控作用,还有助于理解在现实神经系统中存在的慢抑制性自突触的潜在功能.     

兴奋性和抑制性自反馈压制靠近Hopf分岔的神经电活动比较

突触输入刺激神经元产生的电活动,在神经编码中发挥着重要作用.通常认为,兴奋性输入增强电活动,抑制性输入压制电活动.本文选取可调节电流衰减速度的突触模型,研究了兴奋性自突触在亚临界Hopf分岔附近压制神经元电活动的反常作用,与抑制性自突触的压制作用进行了比较,并采用相位响应曲线和相平面分析解释了压制作用的机制.对于单稳的峰放电,快速和中速衰减的兴奋性自突触分别可以诱发频率降低的峰放电和混合振荡(峰放电与阈下振荡的交替),而中速和慢速衰减的抑制性自突触也可以分别诱发频率降低的峰放电和混合振荡.对于与静息共存的峰放电,除上述两种行为外,中速衰减的兴奋性和慢速衰减的抑制性自突触还可以诱发静息.兴奋性和抑制性自突触电流在不同的衰减速度下,分别作用在峰放电的不同相位,才能诱发同类压制行为.结果丰富了兴奋性突触压制电活动反常作用的实例,获得了兴奋性和抑制性自突触压制作用机制的不同,给出了调控神经放电的新手段.     

一类新的混沌神经放电的动力学特征的实验和数学模型研究

神经元电活动理论模型Hindmarsh-Rose(HR)模型提示有位于周期1和周期2放电模式之间的一类特殊的混沌放电,但长期以来对其没有获得足够认识.依据回归映射的确定性结构和非线性预报的短期可预报性,确认了在大鼠的实验性神经起步点的实验中发现的位于周期1和周期2放电模式之间的非周期放电是混沌放电模式,还将该混沌放电模式区分为3个不同表观样式.其中1个表观形式与HR模型的仿真结果相类似,验证了HR模型的理论预期;其余2个样式与仿真结果并不相似.进一步揭示了3个表观样式的动力学特征以及相互之间的区别与联系,并与位于周期2和周期3节律之间、周期3和周期4节律之间的混沌比较了异同,也区别了从周期1到混沌再到周期2放电模式的节律转迁历程与其他的从周期1到周期2节律的分岔过程的不同.研究结果确认了该类特殊混沌节律和相应分岔过程的新特征,丰富了混沌放电节律和节律分岔序列的种类.还对仿真该混沌的多样性和非光滑特性,以及揭示该类混沌的产生途径等进行了讨论. 关键词： 混沌 神经放电模式 分岔 节律     

Negative self-feedback induced enhancement and transition of spiking activity for class-3 excitability

Post-inhibitory rebound (PIR) spike, which has been widely observed in diverse nervous systems with different physiological functions and simulated in theoretical models with class-2 excitability, presents a counterintuitive nonlinear phenomenon in that the inhibitory effect can facilitate neural firing behavior. In this study, a PIR spike induced by inhibitory stimulation from the resting state corresponding to class-3 excitability that is not related to bifurcation is simulated in the Morris-Lecar neuron. Additionally, the inhibitory self-feedback mediated by an autapse with time delay can evoke tonic/repetitive spiking from phasic/transient spiking. The dynamical mechanism for the PIR spike and the tonic/repetitive spiking is acquired with the phase plane analysis and the shape of the quasi-separatrix curve. The result extends the counterintuitive phenomenon induced by inhibition to class-3 excitability, which presents a potential function of inhibitory autapse and class-3 neuron in many neuronal systems such as the auditory system.     

异质生物网络的同步节律的实验研究

通过生物学实验研究了两个异质心肌细胞由独立到形成网络过程中的搏动节律随耦合强度的增加的动力学行为的变化．没有耦合时,两个细胞的搏动节律是独立的,没有同步的搏动．随着耦合强度的增加,网络内的两个细胞搏动节律的相位差的绝对值的平均值和最大值急剧降低,从非相位同步达到了相位同步,但没有达到完全同步．逐次对比两个细胞的搏动,非相位同步状态下只有部分搏动是同步的而其他搏动是不同步的,而相位同步状态下所有的搏动都是同步的．随着耦合强度的增加,非相位同步状态下的同步搏动次数增加,相位同步状态下的两细胞每次同步搏动的时间间隔降低但不为零．研究结果不仅给出了异质生物网络节律同步的实验例证,还获得了网络的节律从不同步到同步过程的动力学规律．     

Noise-induced synchronous stochastic oscillations in small scale cultured heart-cell networks

This paper reports that the synchronous integer multiple oscillations of heart-cell networks or clusters are observed in the biology experiment.The behaviour of the integer multiple rhythm is a transition between super-and subthreshold oscillations,the stochastic mechanism of the transition is identified.The similar synchronized oscillations are theoretically reproduced in the stochastic network composed of heterogeneous cells whose behaviours are chosen as excitable or oscillatory states near a Hopf bifurcation point.The parameter regions of coupling strength and noise density that the complex oscillatory rhythms can be simulated are identified.The results show that the rhythm results from a simple stochastic alternating process between super-and sub-threshold oscillations.Studies on single heart cells forming these clusters reveal excitable or oscillatory state nearby a Hopf bifurcation point underpinning the stochastic alternation.In discussion,the results are related to some abnormal heartbeat rhythms such as the sinus arrest.     

第二届全国动力学与控制青年学者研讨会介绍

为了深入交流动力学与控制学科己取得的成果,探讨今后的发展趋势和面临的挑战,促进青年学者间的交流,加深青年学者对履行历史使命的责任感,由国家自然科学基金委员会数理科学部发起,国家自然科学基金委员会数理科学部和中国力学学会一般力学专业委员会联合主办,由陕两师范大学承办的"第二届仝围动力学与控制青年学者研讨会"于2008年9月20～23日在陕西西安召开,中国力学学会一般力学专业委员会主任委员张伟教授担任会议土席,陕两师范人学生命科学学院占华光副教授、任维教授等组织该次会议.