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     

神经元电活动不同节律模式的几种变化过程

利用神经元Chay模型,对实验中观察到的三种放电节律模式序列进行数值模拟,并应用余维1极限环分岔分析研究了其产生机理.首先考虑的是周期性放电模式的变化过程;其次,具有不同表象的一种超临界和一种亚临界倍周期簇放电序列产生并导致混沌现象的出现,然后以不同的方式转迁到逆超临界倍周期峰放电序列;最后研究无混沌的加周期簇放电序列,得出加周期分岔仅是一种与倍周期分岔密切相关的分岔现象.     

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.     

分数阶FitzHugh-Nagumo模型神经元的动力学特性及其同步

通过对分数阶FitzHugh-Nagumo模型神经元的研究,当外加电流强度作为分岔参数时,发现这种模型神经元从静息态到周期放电态所经历的Hopf分岔点不同于相应的整数阶模型神经元的分岔点;而且分数阶FitzHugh-Nagumo模型神经元呈现周期放电的外加电流强度的范围比相应的整数阶模型神经元的范围小,然而放电频率却比相应的整数阶模型神经元的放电频率高.同时还揭示在周期放电的情况下分数阶FitzHugh-Nagumo模型神经元之间的同步速率比相应的整数阶模型神经元之间的同步速率快.在数值模拟分数阶微分方程 关键词： 分数阶 Hopf分岔 FitzHugh-Nagumo模型 同步     

Hindmarsh-Rose神经元的随机自共振和噪声影响下的同步

研究了噪声对Hindmarsh-Rose(HR)神经元随机自共振和同步的影响。将高斯白噪声加入HR神经元模型的膜电位上，把外界直流电作为分岔参数，分别考虑参数处于Hopf分岔前、Hopf分岔附近和Hopf分岔后时，噪声影响下的随机自共振现象。两个未经耦合的全同HR神经元，如果接受相同的噪声激励，只要噪声强度高于某临界值，就能达到完全同步。进一步，噪声能够增强弱耦合神经元的完全同步。数值结果表明簇放电的神经元比峰放电的神经元更容易被噪声诱导而达到完全同步，耦合也增强了神经元对噪声激励的灵敏度。     

快慢型超混沌Lorenz系统分析

讨论了快慢两时间尺度下超混沌Lorenz系统原点的稳定性问题,分析了原点的Hopf分岔,包括Hopf分岔的存在性,分岔方向以及分岔周期解的稳定性等问题,并用数值例子对所得到的结果加以验证.在一定的参数条件下,快慢系统会产生对称簇发并能达到超混沌状态.基于快慢分析法,揭示了对称簇发中沉寂态与激发态相互转迁的不同分岔模式,并进一步分析了耦合强度对慢过效应的影响. 关键词： 超混沌Lorenz系统 Hopf分岔 对称式fold/subHopf簇发 慢过效应     

非线性电路通向混沌的演化过程

给出了四阶非线性电路通向复杂性的两种演化模式,指出这两种模式与三个共存的平衡点有关.在第一种模式中,不稳定的平衡点由Hopf分岔导致了稳定的周期运动,经过倍周期分岔通向混沌,其所有的吸引子都保持对称结构;而在第二种模式中,另两个平衡点由Hopf分岔产生相互对称的极限环,并分别导致了两个混沌吸引子,其分岔过程步调一致,而且所有的吸引子都相互对称.随着参数的变化,这两个混沌吸引子相互作用形成一个扩大的混沌吸引子,导致与第一种分岔模式中定性一致的混沌运动.     

一类具时滞的厄尔尼诺-南方涛动充电-放电振子模型的Hopf分岔与周期解问题

研究了一类具时滞的厄尔尼诺-南方涛动充电-放电振子模型. 给出了产生Hopf分岔的临界时滞条件, 利用Mawhin重合度理论,探讨了该模型的周期解问题. 关键词： 时滞 厄尔尼诺-南方涛动模型 Hopf分岔 周期解     

线性延时反馈Josephson结的Hopf分岔和混沌化

考虑线性延时反馈控制下电阻-电容分路的Josephson结,运用非线性动力学理论分析了受控系统平凡解的稳定性.理论分析表明,随着控制参数的改变,系统的稳定平凡解将会通过Hopf分岔失稳,并推导了发生Hopf分岔的临界参数条件.对不同参数条件下受控系统的动力学进行了数值分析.结果显示,系统由Hopf分岔产生的稳定周期解,将进一步通过对称破缺分岔和倍周期分岔通向混沌. 关键词： 约瑟夫森结 线性延时反馈 Hopf分岔 混沌     

经颅磁刺激感应外电场作用下最小神经元模型放电起始动态机理分析

经颅磁刺激(TMS)是一种采用电磁线圈在大脑指定区域产生磁场的刺激方式. TMS的治疗原理是通过电磁感应产生作用于神经元的外加电场进而影响神经元编码. 然而目前TMS感应外电场改变神经元编码的内在机理尚不清楚.研究表明, 神经元编码由神经元的放电起始动态机理决定. 本文建立了TMS感应外电场作用下的最小神经元模型, 采用相平面分析和分岔分析方法, 研究了外电场作用下神经元放电起始动态的动力学机理, 并从阈下电位的不同动力学特性离子电流竞争角度揭示了TMS感应外电 场作用下神经元放电起始动态的生理学机理.     

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.     

计算机操作中人体静电放电辐射瞬态电场与磁场的研究

分析了静电放电（ESD）辐射场的偶极子模型。用高采样速率数字示波器和定做的宽带电磁与磁场探头测量了计算机操作中人体静电放电产生的瞬态电场与磁场。用FFT分析了静电放电辐射场的频谱。研究了静民放电辐射场对某电路高频信号的影响。研究结果表明,即使是很低电压（2kV）的静电放电,其辐射近场的电场达几百V/m,磁场可达几十A/m静电放电辐射场的频谱极宽,从数兆赫到数千兆赫。静电放电对高频电路的试验结果表明,若不采取有效的防护措施,人体静电放电辐射电磁场会对电路造成一定的影响,如对集成电路与元器件造成“潜在效应”的损害,对电路造成电磁干扰,甚至损坏电子器件。     

Modeling and dynamics of double Hindmarsh-Rose neuron with memristor-based magnetic coupling and time delay

The firing of a neuron model is mainly affected by the following factors:the magnetic field, external forcing current, time delay, etc. In this paper, a new time-delayed electromagnetic field coupled dual Hindmarsh-Rose neuron network model is constructed. A magnetically controlled threshold memristor is improved to represent the self-connected and the coupled magnetic fields triggered by the dynamic change of neuronal membrane potential for the adjacent neurons. Numerical simulation confirms that the coupled magnetic field can activate resting neurons to generate rich firing patterns, such as spiking firings, bursting firings, and chaotic firings, and enable neurons to generate larger firing amplitudes. The study also found that the strength of magnetic coupling in the neural network also affects the number of peaks in the discharge of bursting firing. Based on the existing medical treatment background of mental illness, the effects of time lag in the coupling process against neuron firing are studied. The results confirm that the neurons can respond well to external stimuli and coupled magnetic field with appropriate time delay, and keep periodic firing under a wide range of external forcing current.     

Nontrivial Effect of Time-Varying Migration on the Three Species Prey-Predator System

Migration is ubiquitous in ecosystem and often plays an important role in biological diversity. In this work,by introducing a time-varying migration rate associated with the difference of subpopulation density into a prey, we study the Hopf bifurcation and the critical phenomenon of predator extinction of the three species prey-predator system,which consists of a predator, a prey and a mobile prey. It is found that the system with migration exhibits richer dynamic behaviors than that without migration, including two Hopf bifurcations and two limit cycles. Interestingly,the parameters of migration have a drastically influence on the critical point of predator extinction, determining the coexistence of species. Moreover, the population evolution dynamics of one-dimensional multiple prey-predator system are also discussed.     

Coherence resonance and synchronization of Hindmarsh-Rose neurons with noise

Noise effects on coherence resonance and synchronization of Hindmarsh-Rose (HR) neuron model are studied. The coherence resonance of a single HR neuron with Gaussian white noise added to the membrane potential is investigated in situations before, near and after the Hopf bifurcation, separately, with the external direct current as a bifurcation parameter. It is shown that even though there is no coupling between neurons, uncoupled identical HR neurons driven by a common noise can achieve complete synchronization when the noise intensity is higher than a critical value. Furthermore, noise also enhances complete synchronization of weakly coupled neurons. It is concluded that synchronization in bursting neurons is easier to be induced than in spiking ones, and coupling enhances the sensitivity of synchronization of neurons to noise stimulus.     

电磁辐射诱发神经元放电节律转迁的动力学行为研究

本文首先根据能量转换理论建立了电磁辐射影响下神经元电流变量模型, 然后结合Hodgkin-Huxley(HH)神经元模型研究了电磁辐射对单个神经元以及耦合神经元放电行为的影响. 结果表明, 随着电磁辐射强度的增大, 神经元放电率逐渐减小, 最后达到一个比较稳定的值. 神经元原有的周期型放电由于辐射强度的增大而逐步过渡到簇放电状态, 并借助动态分岔理论解释了这种放电模式的转换. 同时证明了磁辐射对单个神经元放电的影响可以通过神经元间的耦合传递到临近其他神经元中.     

Bifurcation and chaos analysis of a nonlinear electromechanical coupling relative rotation system

Hopf bifurcation and chaos of a nonlinear electromechanical coupling relative rotation system are studied in this paper. Considering the energy in air-gap field of AC motor, the dynamical equation of nonlinear electromechanical coupling relative rotation system is deduced by using the dissipation Lagrange equation. Choosing the electromagnetic stiffness as a bifurcation parameter, the necessary and sufficient conditions of Hopf bifurcation are given, and the bifurcation characteristics are studied. The mechanism and conditions of system parameters for chaotic motions are investigated rigorously based on the Silnikov method, and the homoclinic orbit is found by using the undetermined coefficient method. Therefore, Smale horseshoe chaos occurs when electromagnetic stiffness changes. Numerical simulations are also given, which confirm the analytical results.