离子通道噪声对神经元新陈代谢能量的影响

利用随机Hodgkin-Huxley模型对发生在不同膜面积、不同温度下的神经元新陈代谢能量损耗进行了数值模拟研究.与实际神经元进行比较,表明神经元细胞膜存在一个最佳的膜面积和最佳的温度. 在最佳的膜面积和温度下,神经元的新陈代谢能量损耗最小. 最佳的膜面积与实际神经元膜面积一致,并且这个最佳的温度与室温一致. 关键词： 噪声 离子通道 神经元 Hodgkin-Huxley模型     

不同缺陷对周期螺旋波的影响

研究了不同单个圆形缺陷对周期螺旋波的影响。数值模拟发现,如果缺陷中心不变,那么,它对周期螺旋波的影响存在两个临界半径rd1和rd2。当缺陷半径rd=rd1时,波头的最终运动轨迹会发生远离缺陷的幅度较大的漂移;当rd=rd2时,波头在缺陷产生后经过一段时间的演化会消失。数值模拟同时发现,rd1和缺陷中心到波头中心的距离d一一对应;同样,rd2也和d一一对应,且都随d线性增大。     

时空调制对可激发介质螺旋波波头动力学行为影响及控制研究

本文首先研究了时空调制对可激发介质中周期螺旋波波头动力学行为的影响. 随着时空调制的增大, 螺旋波经历了周期螺旋波、外滚螺旋波、旅行螺旋波和内滚螺旋波的显著变化. 通过定义序参量来定量的描述由时空调制引起的螺旋波在不同态之间非平衡跃迁的临界条件, 及漫游螺旋波波头圆滚圆半径随调制参数的变化情况. 当时空调制增大到某个临界值时, 螺旋波发生了破碎; 再增加时空调制, 螺旋波则发生了衰减, 系统最终演化为空间均匀静息态. 在文中给出了螺旋波发生破碎和衰减的机理和原因. 最后将时空调制方法运用于漫游螺旋波, 实现了将漫游螺旋波控制成周期螺旋波, 或将其控制为空间均匀静息态.     

局部相空间压缩实现对时空混沌和螺旋波的控制

采用相空间压缩方法研究时空混沌和螺旋波系统的抑制问题.以局部控制方式将系统变量的幅值限制在一定范围内,对CO在Pt(110)表面氧化模型(Fitzhugh-Nagumo方程)与心肌组织模型(Panfilov方程)的数值研究表明:无论是否存在外界噪声,该方案都可以消除螺旋波和时空混沌;尤其是存在噪声时,相空间压缩控制暂态过程会更短,系统很快达到稳定均匀态(从几个到几十个时间单位).     

Lévy噪声与周期力共同驱动下的螺旋波动力学

研究加性Lévy噪声与周期外力对FitzHugh-Nagumo可激系统中螺旋波动力学行为的影响.螺旋波波头的运动随外力周期在一定范围内呈规则变化,该规则变化可用相应的傅立叶谱理解,维持该规则变化的是锁频行为.Lévy噪声序列中包含着小概率的大尺度噪声,螺旋波波头运动改变主要来自于它们的影响,本文指出Lévy噪声对波头运动的影响也依赖于外力周期的取值.在适当的参数取值下,Lévy噪声的存在也能导致螺旋波的消失,这为螺旋波的控制、消除提供了一种方法.分析了系统周期与外力周期的锁定行为,给出了不同噪声强度下的Arnold舌,指出随机共振行为的存在.     

海面波浪对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响

研究了由海浪谱导得的噪声源的相关函数对海洋环境噪声垂直空间相关性的影响。常用的海洋环境噪声空间相关性模型一般假设海面噪声源是非相关的,这种假设可以解释一些物理现象,但是与真实情况并不符合。考虑到风成噪声与海浪运动的相关性,引入海浪谱,得到噪声源的相关函数,利用Kuperman-Ingenito (K/I)噪声模型,计算海洋环境噪声的垂直相关性。通过仿真结果与实验数据对比可以看出,在高风速下,假设噪声源不相关时计算得到的噪声场垂直相关性与实验结果相差较大,而利用由海浪谱导得的噪声源的相关函数计算得到的噪声场的垂直相关性与实验结果符合较好。     

随机中毒对神经元网络时空动力学行为的影响

神经元细胞膜上的离子通道能够被一些有毒的化学物质阻断. 离子通道阻断会降低离子通道的电导率和激活通道数, 影响神经元的放电活动, 进而影响神经网络时空模式的动力学行为. 本文采用具有周期边界的近邻耦合Hodgkin-Huxley神经元网络, 数值研究了钠离子和钾离子通道随机中毒时神经网络时空模式的演化过程. 发现钠离子和钾离子通道随机中毒可以导致螺旋波破裂. 通过分析网络的放电概率, 发现钠离子通道随机中毒降低了神经网络的兴奋性, 且其对中毒的敏感程度与噪声强度有关; 钾离子通道随机中毒增强了神经网络的兴奋性. 与均匀的通道中毒相比, 随机通道中毒的神经网络具有更丰富的动力学行为. 最后, 采用无流边界条件对神经网络进行数值仿真, 得到了类似的结果. 该研究更真实地反映神经系统中毒时整体兴奋性的变化, 从另一个方面揭示离子通道中毒对网络时空行为的影响, 有利于更进一步理解离子通道在网络整体行为中的作用. 关键词： 神经网络 离子通道 随机中毒 时空动力学     

随机边界诱导Izhikevich神经元网络的时空模式转换

在随机边界条件下构建由200×200个Izhikevich神经元组成的方形网络,并利用计算机模拟计算方形网络的时空特性和同步因子,对神经元的放电模式、分岔现象以及方形网络的时空模式和同步性质进行研究。研究结果表明：在相同电流刺激和耦合强度下,由不同放电模式Izhikevich神经元构建的方形网络中,仅当神经元处于Regular Spiking放电模式下才能在网络中观察到螺旋波种子的出现和消失;对于其他放电模式(Fast Spiking, Chattering和Intrinsically Bursting)的Izhikevich神经元构建的方形网络,则无法观察到螺旋波种子的出现。当外界电流刺激恒定时,只有当神经元之间的耦合强度为中等大小时才可在方形网络中观察到螺旋波种子的出现和消亡,相对较小或较大的耦合强度不能诱导神经元网络出现螺旋波种子。对方形神经网络中的同步因子研究发现同步因子随耦合强度的变化存在类似“反共振”的形式。     

随机扰动对螺旋波动力学的影响研究

心脏中的心肌组织是一种典型的可激发介质, 鉴于心肌细胞分布的离散性, 采用离散可激发介质模型研究了不应态时间随机扰动对螺旋波动力学行为的影响, 在扰动随机出现情况下, 螺旋波的稳定性与受扰元胞的数目和扰动幅度有关, 数值计算结果表明: 在适当的条件下, 可以观察到螺旋波漫游、破碎和消失现象, 并简要分析了产生这些现象的机理. 关键词： 螺旋波 激发介质 随机扰动     

心脏中的螺旋波和时空混沌的抑制研究

以Luo-Rudy相I心脏模型为基础,研究心脏中螺旋波和时空混沌的控制,提出了两种控制方法: (Ⅰ)通过交替改变细胞外钾离子浓度来产生平面波,再利用弱外电场辅助平面波抑制螺旋波和时空混沌; (Ⅱ)先提高细胞外钾离子浓度,然后利用外电场激发波的方式产生平面波,再用平面波去抑制螺旋波和时空混沌. 研究结果表明,只要适当选择控制参数,这两种方法都能够有效抑制螺旋波和时空混沌. 当心肌出现局部缺血时,在心肌缺血处就会出现高的细胞外钾离子浓度,在这种情况下, 可以采用电场发射波的方法来抑制心脏中的螺旋波和时空混沌.对这些控制方法的优点和控制机制做了解释.     

用钙离子通道激动剂抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌

本文以LuoRudy91模型为基础,研究心脏组织中的螺旋波和时空混沌的抑制.提出应用钙离子通道激动剂来提高慢速内行钙离子流的最大电导率—Gsi,达到抑制螺旋波和时空混沌的目的.研究结果表明:该方法可以有效抑制心脏组织中的螺旋波和时空混沌,即使系统出现含时外行钾离子流的最大电导率—GK分布不均匀,该控制方法仍然有效.对控制机理进行了分析.     

Elimination of spiral waves and spatiotemporal chaos by the synchronization transmission technology of network signals

A method to eliminate spiral waves and spatiotemporal chaos by using the synchronization transmission technology of network signals is proposed in this paper. The character of the spiral waves and the spatiotemporal chaos in the Fitzhugh—Nagumo model is presented. The network error evolution equation with spatiotemporal variables and the corresponding eigenvalue equation are determined based on the stability theory, and the global synchronization condition is obtained. Simulations are made in a complex network with Fitzhugh—Nagumo models as the nodes to verify the effectiveness of the synchronization transmission principle of the network signal.     

细胞外钾离子浓度延迟恢复对螺旋波的影响研究

在Luo-Rudy相I心脏模型中考虑了细胞外钾离子浓度的频率依赖性,并研究了细胞外钾离子浓度的延迟恢复对螺旋波动力学的影响.数值模拟结果表明,在螺旋波态下,细胞外钾离子浓度的延迟恢复会导致细胞外钾离子浓度周期振荡,其振荡周期和振幅随延迟恢复时间的增加而增加,进而导致出现呼吸螺旋波、多螺旋波共存、螺旋波做Lévy飞行式漫游、螺旋波通过不同方式消失等现象,这些结果与实验结果一致.     

Elimination of spiral waves and spatiotemporal chaos by the pulse with a specific spatiotemporal configuration

Spiral waves and spatiotemporal chaos are sometimes harmful and should be controlled. In this paper spiral waves and spatiotemporal chaos are successfully eliminated by the pulse with a very specific spatiotemporal configuration. The excited position D of spiral waves or spatiotemporal chaos is first recorded at an arbitrary time （to）. When the system at the domain D enters a recovering state, the external pulse is injected into the domain. If the intensity and the working time of the pulse are appropriate, spiral waves and spatiotemporal chaos can finally be eliminated because counter-directional waves can be generated by the pulse. There are two advantages in the method. One is that the tip can be quickly eliminated together with the body of spiral wave, and the other is that the injected pulse may be weak and the duration can be very short so that the original system is nearly not affected, which is important for practical applications.     

Experiment on the electromagnetic radiation excited in an electron beam‐ion channel system

An experimental study on electromagnetic (EM) radiation in an electron beam‐ion channel system is reported, which indicates the same result predicted by our previous theory. The system is formed in an arc plasma jet with a plasma density of 10¹⁷m^?3 , and the electron beam is driven by a voltage pulse of 20 kV. The result shows that the system can excite EM radiation in the range of the plasma frequency. The scheme is also hopeful to be used for generating high‐frequency and wide‐band EM radiation up to terahertz by enhancing the plasma density.     

通过抑制波头旋转消除心脏中的螺旋波和时空混沌

本文采用Luo-Rudy相I模型研究如何通过调控心肌细胞钠电流变化来控制心脏中的螺旋波和时空混沌,提出了这样的钠电流调控方案:当细胞将被激发时启动钠电流调节,若由模型方程得到的钠电流的绝对值小于钠电流控制阈值的绝对值,就让钠电流等于钠电流控制阈值,其他情况下则限制钠电流的绝对值不能高于一个给定的最大值;当膜电位上升超过-5 mV时,让钠电流自然演化.这种调节钠电流的方式保证了所有细胞几乎具有相同的钠电流幅值,从而使所有细胞具有相同的激发性,数值模拟结果表明,只要钠电流控制阈值达到一定临界值,就可以有效抑制螺旋波波头的旋转,导致螺旋波运动出系统边界而消失,以及时空混沌演化为螺旋波后消失,如果钠电流控制阈值足够大,螺旋波和时空混沌还可通过传导障碍而消失.这些结果能够为抗心律失常治疗提供新的思路.