细胞体系中内噪声对弱信号检测的积极作用

在小尺度的生物化学反应体系中内噪声是普遍存在的,本文采用化学Langevin方程研究了细胞体系中内噪声对弱信号检测的作用. 研究发现, 在Hopf分岔点附近, 当弱信号非常小以至于不能独立地激发细胞内的钙尖峰振荡时, 内噪声能够帮助细胞内的钙振荡信号越过一个域值, 并且在一个最佳的内噪声强度下, 内噪声、内噪声诱导的钙振荡和弱信号之间会产生共振现象, 由此极大地增强了细胞体系对弱信号的检测能力. 由于内噪声是通过细胞尺度变化而改变的, 因此这种现象也说明了在对弱信号检测行为中最佳细胞尺度的存在. 研究还发现最佳的细胞尺度与真正的细胞体积是相吻合的, 并且基本不随外界刺激的改变而改变, 这具有重要的生物学意义.     

一氧化碳催化氧化过程中噪声和信号的协同效应

在合适的条件下 ,噪声和信号同时输入非线性体系统 ,其响应规律可以表现出协同效应 ,这就是所谓的随机共振 ,其中噪声起到积极作用 :提高信噪比 ,增加弱信号可测性 .以一氧化碳催化氧化表面反应为例 ,通过线性稳定性分析方法 ,研究了系统的稳定性问题 ,以及体系对外加噪声和信号的调制响应 ;通过数值模拟发现 ,当体系处于狭窄的双稳态区 ,或化学振荡区边缘时 ,噪声可以诱发态 态转变 ,发生随机共振现象 ,表现出比一维体系更丰富的动力学特征 .     

电氧化甲酸反应体系的随机共振调制

采用甲酸电氧化的反应模型对随机共振的调制进行了研究。反应模型中有驱动电流和CO的饱和覆盖率两个控制参量。当弱信号和噪声同时作用于驱动电流时,固定信号强度,体系输出的脉冲间隔分布可以在合适的噪声强度时最有序,表明出现了随机共振现象。对CO的饱和覆盖率施加周期性信号的作用可以对随机共振行为进行调制,调制的结果取决于调制信号的周期及初相位。     

嘈杂小世界网络中的随机共振现象

以双稳态振荡器耦合而成的具有小世界拓扑结构的网络为研究对象,重点研究了该体系在周期弱信号和乘性高斯白噪声的共同作用下,振荡器之间的耦合强度与网络拓扑结构的无序度对于网络动力学行为的影响．结果显示噪声可以诱导产生随机共振现象,在适中的耦合强度下增加体系拓扑的无序度可以使整个体系的随机共振现象得到加强．另外,研究表明体系中存在着一组最优的耦合强度和拓扑无序度,在它们的协同作用下体系能够最有效地检测到外界的弱信号．     

介观振荡化学反应体系的内噪声随机共振

用化学Langevin方程研究了内噪声对介观振荡化学反应体系的影响.研究发现,在确定性体系处于定态条件下,内噪声可以导致体系振荡:随着内噪声强度的变化,诱导振荡信号的信噪比通过一个极大值,表明内噪声随机共振的出现;由于内噪声强度随着系统体积的变化而改变,因此,这一现象也证明了系统尺度共振,即最佳尺度效应的存在.     

内噪声作用下的随机共振算法对弱信号的检测

基于随机共振理论提出了一种简便、有效地检测弱信号的方法。在内噪声协同作用下，通过调节输入噪声信号的大小能较好地提高系统输出信号的信噪比，从而实现检测背景噪声很强的弱信号的目的。应用于模拟信号和实验信号的结果证明了方法是可行的。     

阳极溶解电化学振荡体系中白噪声诱导随机共振的模拟

通过对电化学阳极溶解振荡模型加白噪声后引发的随机共振现象的模拟研究发现,在该体系的周期二振荡态时呈现显性内信号随机共振现象。当白噪声加在该电化学体系的周期二振荡态时,内信号的信噪比随着噪声的增大达到了最大值。同样噪声强度情况下,强信号的信噪比增加比弱信号的增加更加迅速。如果同时改变噪声强度,体系的信号频率也维持不变。研究表明,噪声对内信号的优化具有选择性,而体系的内信号也具有抵抗噪声和维持内在机制不变的性质。     

一氧化碳表面催化氧化反应中canard突变与内信号随机双共振

Canard突变是普遍存在于可激发体系内的一种复杂时间行为, 其特征表现为极限环振幅与周期在极小的参数范围内急剧变化. 分析了在超临界霍普夫分叉附近canard突变的动力学行为及其对噪声的响应特性, 发现并说明了Pt(110)/CO+O₂表面催化氧化反应体系中的内信号随机双共振, 这是一种噪声对不同频率信号的选择性放大作用.     

非高斯噪声增强纳米尺度钯粒子表面一氧化碳氧化反应随机速率振荡

过去的几十年里,人们对噪声的积极作用进行了广泛研究,其中,化学反应体系中噪声的作用引起人们的很大兴趣.人们研究了单晶表面和纳米粒子表面催化体系中内、外噪声对反应振荡的影响,发现了随机共振和相干共振现象.然而,在以往的研究中,人们总是用高斯噪声代替实际噪声.但实验研究表明,神经元和自催化反应等生物化学反应体系中可能存在非高斯噪声.本文研究非高斯噪声对纳米尺度钯粒子表面一氧化碳催化氧化反应速率振荡的影响.我们首先给出了不存在外噪声时体系振荡随粒子尺度的变化情况,得到了内噪声相干共振行为.其次,我们重点研究了在非高斯噪声作用下体系反应速率的振荡.发现,随着非高斯噪声与高斯噪声的偏离q的增大,振荡规律性经历了由差变好到再变差的演化,而且在某个最佳的q值,振荡变得最有规律性.我们分别给出了振荡时间序列、功率谱和信噪比随q值的变化,充分反映了上述振荡的演化情况.这个结果表明,适当的外噪声能够增强纳米尺度钯粒子表面一氧化碳氧化反应随机速率振荡,而且存在某个最佳的外噪声,使速率振荡得到最大程度的增强.同时表明,非高斯噪声可能比高斯噪声起到更大的增强作用.最后,我们对非高斯噪声增强一氧化碳反应速率振荡这一现象的物理机制作了简单...     

与高斯噪声偏离增强Hodgkin-Huxley神经元激发相干性（摘要）

自从Hodgkin和Huxley对神经元动力学行为进行开创性研究以来,内、外噪声对神经元膜电势激发的积极作用被广泛研究.以往研究中,人们通常认为噪声遵循高斯分布.然而,有关的生物学实验研究表明,在诸如神经元等感官体系中存在非高斯噪声.近十年,一类特殊形式的非高斯噪声在非线性动力学体系（包括生物体系和化学体系）中的作用受到人们的关注.本文中,我们用数值模拟方法研究该类非高斯噪声对确定性Hodgkin-Huxley（HH）神经元激发行为的影响.     

自适应随机共振算法用于微弱信号检测

我们[1] 曾将随机共振方法应用于化学弱信号的检测 ,并提出了一种只利用测量信号本身所包含噪声的协作效应来检测化学弱信号的新方法 [2 ] ,即通过连续变化系统自身的稳态参数来实现共振 .在以往工作中 ,对输出结果的表征也只是将输出与已知结果进行比较 ,通过对输出的随时监控来判断是否得到最优结果 ,因而不能实现微弱信号的自适应检测 .这无疑也限制了此方法的实际应用 .本文在以上工作的基础上 ,研究了双稳系统的输出特性 ,提出了一种自适应随机共振算法 ,即基于双稳系统的系统输出可以通过调节系统自身的稳态参数达到共振 ,从而在连续…     

与高斯噪声偏离增强Hodgkin-Huxley神经元激发相干性

自从Hodgkin和Huxley对神经元动力学行为进行开创性研究以来,内、外噪声对神经元膜电势激发的积极作用被广泛研究.以往研究中,人们通常认为噪声遵循高斯分布.然而,有关的生物学实验研究表明,在诸如神经元等感官体系中存在非高斯噪声.近十年,一类特殊形式的非高斯噪声在非线性动力学体系(包括生物体系和化学体系)中的作用受到人们的关注.本文中,我们用数值模拟方法研究该类非高斯噪声对确定性Hodgkin-Huxley(HH)神经元激发行为的影响.存在周期性刺激电流时,HH神经元膜电势V(t)激发动力学可以表示为其中C=1μF/cm2是膜电容;gNa=120mS/cm2,gK=36mS/cm2和gL=0.3mS/cm2分别为钠、钾和漏电流的最大电导;VNa=50mV,VK=-77mV和VL=-54.4mV分别为钠、钾和漏电流的逆电势.取次阈值电流I(t)=6.0+sin(0.3t).非高斯噪声η(t)满足峰时间间隔T的平均值和平方平均值.我们首先研究了偏离q对噪声强度诱导的激发行为的影响.发现q减小时,CV的最小值减小,表明较小的偏离可以增强噪声强度诱导的随机共振(SR).同时,对于较小和较大的D值,CV随q的增加分别减小和增大,表明,随D的不同,q既可以增强也可以降低激发规律性.我们重点研究了偏离度q的影响.分别在三个不同噪声强度D条件下,计算了给定相关时间τ时CV随q的变化.发现随着q的增加,CV在某个中间大小的q值处经过一个最小值,表明"偏离诱导SR"的产生.我们计算了多个不同相关时间τ时的情况,发现了类似现象.由于非高斯噪声偏离决定了噪声概率分布,而不同概率分布代表不同的噪声类型,因此,"偏离诱导SR"现象表明,不同类型的噪声可以增强激发相干,因而增强HH神经元对次阈值信号编码的时间精确性.     

钙离子体系的振动双共振控制

研究了钙离子振荡体系在高、低两种不同频率信号作用下所产生的振动双共振(VBR)及其控制方法.结果表明:系统对低频信号响应的幅值随高频信号振幅的变化产生了振动双共振现象,并且低频信号的频率越低,振幅越大,系统通过振动双共振对微弱低频信号的放大倍数越大.体系离霍普夫(Hopf)分岔点的距离越近(控制参数域值越小),体系发生振动双共振所需要的最大高频信号幅值越往大的方向漂移,同时体系振动双共振的强度越小.细胞内钙波形成过程中的反馈机制对体系振动双共振的增强和减弱起着重要的作用,即正反馈机制对体系振动双共振强度起增强的作用,而负反馈机制却起减弱的作用.另外,体系中引入噪音所产生的随机共振不仅削弱振动双共振的强度而且还影响振动峰的个数,也发现存在极限噪音强度使体系产生不同的振荡行为,极限噪音强度之下,体系产生VBR现象,而极限噪音强度之上,体系则发生单峰振荡共振现象.     

化学体系随机共振现象的理论研究

化学体系中随机共振现象的特性、机理、本质和应用的研究是非常重要的前沿课题。综述中国科学技术大学非线性化学实验室,在化学体系随机共振现象的理论研究中,所取得的主要成果,并阐述化学体系随机共振现象研究中所提出来的若干重要问题：非均相化学体系中随机共振;化学体系中内信号随机共振;化学体系中多重随机共振;化学体系中随机共振的调制;化学体系中色噪声作用下的随机共振;化学体系中时空随机共振;耦合化学体系中随机共振;化学体系中双参量随机共振。     

利用小波变换检测电化学噪声信号波形

简述了应用小波变换检测点蚀电化学噪声信号的基本原理,对在3.5％ NaCl溶液中工业纯铝发生点蚀的电化学噪声信号检测分析表明：小波变换能够提取发生点蚀的电化学噪声信号和测量系统噪声在多惊讶分辨空间中的波形特征,根据表征该特征的小波系数模极大值在不同尺度下的传播特性,可实现对点蚀电化学噪声信号波形的检测。     

噪声在非线性化学体系中作用的研究现状*

本文综述了噪声的种类、来源、统计性质、作用机制和在不同体系中噪声诱导的丰富的非线性的动力学行为, 重点叙述了噪声在非线性化学体系中的重要作用及其应用。     

合成基因网络中的内信号随机共振

研究了一个合成基因网络模型被噪声调控时的动力学行为. 通过计算机模拟发现了噪声诱导的振荡和随机共振现象(stochastic resonance), 并且发现存在一个最合适的噪声强度, 使得体系的有效振荡最容易出现. 还讨论了这种随机共振现象对基因体系的积极作用.     

分子基逻辑材料*

在适当的条件下分子开关将输入的信息转换为输出信号,利用这一特点,可在分子体系根据二进位布尔逻辑规则实现信号转换。目前,用化学体系进行基本的布尔逻辑功能执行 (PASS、YES、NOT、AND、NAND、OR、NOR、XNOR和INH)都已成为可能。在此基础上,逻辑门的整合与编程,以及更进一步的复杂分子运算开始受到人们的关注。迄今为止,以高灵敏性的荧光输出信号为主,人们在分子水平上设计实现了多种复杂的逻辑电路,包括组合逻辑电路和时序逻辑电路等,并开始涉及信息处理的安全平台设计。本文主要介绍了近年来利用分子荧光开关体系模拟数字逻辑电路过程中所取得的最新进展,对分子逻辑电路研究的热点和问题进行了展望。     

信号平均技术及其在光电化学中的应用

光电化学是研究在光照影响下的各种电极过程的一门新兴学科。在大多数情况下,光电化学实验体系所产生的光电响应非常微小。假如采用常规的放大方法,其结果微弱的光电响应将和噪声一起被放大,为此必须采用微弱信号检测技术,把淹没在背景噪声中的光电信号检测出来。信号平均技术就是一种在光电化学中常用的微弱信号检测技术。     

基于提升格式的小波变换用于处理化学信号

将提升haar小波变换应用于对不同类型含高噪声化学信号的处理,提出1种用于高噪声化学信号中滤除噪声的快速新方法——提升小波滤噪法,并使之与重叠峰分辨技术联用;以优选的小波分解层数对低信噪比的分析化学信号进行基于提升格式的小波变换处理,取得满意的结果;方法简单、快捷、准确、易行．运算速度是传统小波变换的一半,对高噪声化学信号的处理结果信噪比提高几百倍,峰位置相对误差小于1．5％;应用于氨基酸体系毛细管电泳检测信号的处理,有效降低了实验噪声的影响,分辨提取了难以察觉的信号．结果峰形变窄,峰高增加．大大提高了峰的分辨率．验证和显示了方法的可行性和优越性。