Experimental identification of a comb-shaped chaotic region in multiple parameter spaces simulated by the Hindmarsh–Rose neuron model

A comb-shaped chaotic region has been simulated in multiple two-dimensional parameter spaces using the Hindmarsh-Rose （HR） neuron model in many recent studies, which can interpret almost all of the previously simulated bifurcation processes with chaos in neural firing patterns. In the present paper, a comb-shaped chaotic region in a two- dimensional parameter space was reproduced, which presented different processes of period-adding bifurcations with chaos with changing one parameter and fixed the other parameter at different levels. In the biological experiments, different period-adding bifurcation scenarios with chaos by decreasing the extra-cellular calcium concentration were observed from some neural pacemakers at different levels of extra-cellular 4-aminopyridine concentration and from other pacemakers at different levels of extra-cellular caesium concentration. By using the nonlinear time series analysis method, the determin- istic dynamics of the experimental chaotic firings were investigated. The period-adding bifurcations with chaos observed in the experiments resembled those simulated in the comb-shaped chaotic region using the HR model. The experimental results show that period-adding bifurcations with chaos are preserved in different two-dimensional parameter spaces, which provides evidence of the existence of the comb-shaped chaotic region and a demonstration of the simulation results in dif- ferent two-dimensional parameter spaces in the HR neuron model. The results also present relationships between different firing patterns in two-dimensional parameter spaces.     

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.     

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     

TiO2负载Cu-Mn复合氧化物催化燃烧正己醛

通过调控Cu负载量及Cu/Mn原子比,探究其对TiO₂负载Cu-Mn复合氧化物(Cu_xMn_y/TiO₂)催化材料中活性组分间相互作用的影响,结果表明,铜负载量为15% (w,质量分数)和Cu/Mn原子比为1 : 1时有利于类铜锰尖晶石相Cu_1.5Mn_1.5O₄的形成,随着Cu负载量的增加促使氧物种从晶格氧向表面吸附氧转移。复合催化材料中铜负载量的变化及Cu/Mn原子比对活性组分和催化活性间的相互作用影响显著。结果发现Cu₁₅Mn₁₅/TiO₂在225 ℃时使正己醛转化率达到90% (T₉₀),材料良好的性能归因于其具有较高的Cu²⁺与O_ads含量,并可与Mn²⁺实现双还原氧化过程。结果表明,Cu₁₅Mn₁₅/TiO₂复合材料中的类铜锰尖晶石活性组分可完成redox循环,以保持催化材料较高的稳定性。     

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．     

Synchronization transition of a coupled system composed of neurons with coexisting behaviors near a Hopf bifurcation

The coexistence of a resting condition and period-1 firing near a subcritical Hopf bifurcation point, lying between the monostable resting condition and period-1 firing, is often observed in neurons of the central nervous systems. Near such a bifurcation point in the Morris-Lecar （ML） model, the attraction domain of the resting condition decreases while that of the coexisting period-1 firing increases as the bifurcation parameter value increases. With the increase of the coupling strength, and parameter and initial value dependent synchronization transition processes from non-synchronization to compete synchronization are simulated in two coupled ML neurons with coexisting behaviors： one neuron chosen as the resting condition and the other the coexisting period-1 firing. The complete synchronization is either a resting condition or period-1 firing dependent on the initial values of period-1 firing when the bifurcation parameter value is small or middle and is period- 1 firing when the parameter value is large. As the bifurcation parameter value increases, the probability of the initial values of a period- 1 firing neuron that lead to complete synchronization of period- 1 firing increases, while that leading to complete synchronization of the resting condition decreases. It shows that the attraction domain of a coexisting behavior is larger, the probability of initial values leading to complete synchronization of this behavior is higher. The bifurcations of the coupled system are investigated and discussed. The results reveal the complex dynamics of synchronization behaviors of the coupled system composed of neurons with the coexisting resting condition and period-1 firing, and are helpful to further identify the dynamics of the spatiotemporal behaviors of the central nervous system.     

铼催化的醇脱羟基反应研究进展

近年来,发展将丰富的可再生资源转化成燃料和高附加值化学品的新型高效方法引起人们的广泛关注.其中的研究热点之一是多元醇和碳水化合物的选择性化学转换.多元醇及碳水化合物富含氧元素,其很大部分是以羟基官能团的形式存在,因此发展选择性的脱羟基反应具有重要的意义.介绍了近年来铼催化的醇脱羟基反应的研究进展,主要分为两部分:(1)单醇的脱羟基反应构建新的化学键;(2)二(多元)醇的脱羟基反应生成烯烃.     

焙烧温度对V2O5/CNTs-TiO2催化剂脱氯性能的影响

用浓硝酸纯化改性碳纳米管(CNTs),以钛酸四丁酯为原料,通过溶胶-凝胶法制备碳纳米管-氧化钛(CNTs-TiO₂)复合载体并浸渍制得V₂O₅/CNTs-TiO₂催化剂,重点考察了制备过程中焙烧温度对催化剂催化氧化活性的影响.利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)仪、X射线光电子能谱(XPS)仪和紫外-可见(UV-Vis)分光光度计等对催化剂材料的结构、形貌和表面化学性质进行了表征分析.结果表明,硝酸处理后的碳纳米管纯度和石墨化程度增加, 450 ℃焙烧温度制备得到的催化剂活性组分分散度好, V₂O₅/CNTs-TiO₂催化剂中钒钛氧均以有利于催化反应的价态存在;催化剂表面活性氧的含量最高,催化剂表现出很好的电子迁移与氧移动的能力,从而提高催化剂的催化活性.实验表明,在250 ℃、催化剂用量为0.2 g、N₂ (80%) + O₂ (20%)下催化降解六氯苯(HCB)的效率可达到94.78%左右,并在24 h内保持很好的稳定性.     

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.     

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.