局部激励法产生靶波来消除螺旋波

提出采用局部激励方法产生靶波来消除抑制激发介质中的漂移(和稳定的)螺旋波．通过在系统中任意选择一个格点进行采样，将采样格点信号反馈到系统局部区域可产生一个稳定的靶波．数值计算表明：该方法可以消除均匀和非均匀介质(扩散系数随时间或空间变化)中的螺旋波(稳定旋转的螺旋波和漂移的螺旋波)，并且对于时空噪声具有一定的抗干扰性．     

非连续反馈控制激发介质中的螺旋波

采用非连续反馈方法来控制Fitz-Hugh-Nagumo方程描述的激发介质中的螺旋波. 在控制过程中,对于系统各个格点快变量的幅值进行观测并和设定的阈值进行比较,当采样格点的快变量的值大于这个阈值时,则对系统进行直接小幅度的负反馈. 研究发现：在对系统所有格点快变量幅值观测时选择比较小的阈值则更容易将系统的螺旋波消除掉并使系统达到稳定均匀态. 在比较大的阈值下,系统的螺旋波则变得稀疏,也可以导致螺旋波的破裂. 在任意选择单个格点的快变量观测下,比较小的反馈强度仍然可以消除螺旋波,系统也达到稳定均匀态. 当 关键词： 螺旋波 Fitz-Hugh-Nagumo方程 反馈控制     

通过放慢钠通道开闭控制心脏中的螺旋波和时空混沌

现代生物技术已经能够通过让钠离子通道的基因突变来改变其弛豫时间常数.本文采用Luo-Rudy相I模型研究了如何调控钠通道门的弛豫时间常数来控制心脏中的螺旋波和时空混沌.我们提出这样的控制策略:通过让钠电流触发门的弛豫时间常数增大ρ倍,同时让其快失活门始终不关闭,来降低钠电流激活和失活的速率.数值模拟结果表明:逐渐增加ρ将导致钠电流的触发门变量更慢,达到最大值,并且其振幅也逐渐减少,从而使心肌细胞动作电位的幅度和持续时间都逐渐减少.在ρ足够大的情况下,螺旋波和时空混沌不能在介质中传播,但是低频平面波可以在介质中传播,原因是介质激发性和波传播速度大幅度降低了.因此在适当选取控制时间和ρ足够大的情况下,可以有效消除心脏中的螺旋波和时空混沌.螺旋波和时空混沌主要通过传导障碍消失,也观察到螺旋波转变为靶波、螺旋波波头回缩、时空混沌转变为螺旋波消失的现象.当相关参数适当选择时,还观察到螺旋波转变为自维持靶波现象,相应的靶波源是旋转方向相反的螺旋波对.这些结果为心脏病的基因治疗提供了有用信息.     

耦合可激发介质中螺旋波的控制研究

采用Br模型研究了三层耦合可激发介质中螺旋波的控制.相邻层之间采用双向耦合.利用加在第二层介质上的局域周期信号产生的平面波来消除螺旋波.数值模拟表明:只有当三层介质的耦合满足一定条件才可能实现螺旋波的控制,可以通过耦合互补方式实现螺旋波的控制;平面波与低频螺旋波的相互作用可以产生高频螺旋波,导致螺旋波不能被消除;存在优化的驱动宽度,过大或过小的驱动宽度需要增加第一、三层介质的耦合强度.观察到控制结果依赖控制时机的现象.研究结果可用于植入式心脏除颤器的设计.     

通过控制钙和钾离子流抑制心脏中的螺旋波和时空混沌

采用LuoRudy91心脏模型研究螺旋波和时空混沌的控制,提出联合使用钙通道激动剂和钾通道阻滞剂的控制策略来增大钙离子电导率和减小钾离子电导率,达到消除心脏组织中的螺旋波和时空混沌的目的.数值模拟结果表明,该方法可以有效抑制螺旋波和时空混沌,即使介质存在无扩散功能的缺陷时该方法仍有效.对控制机制做简单探讨.     

线性反馈抑制螺旋波

研究了激发介质FitzhughNagumo方程中螺旋波的控制问题.基于稳定性和自适应理论,对系统格点变量进行采样,将采样变量与外界标准的周期信号和稳定信号进行线性作差,进一步将误差线性反馈到系统(局部反馈和全局反馈)中,当系统达到稳定均匀态,控制器自动关闭.并研究了噪声对该方法的影响.数值计算表明,选择不同的控制区域和外部标准信号,可将螺旋波抑制,系统很快达到均匀态,螺旋波转化成靶波或者形成新的斑图,控制器对噪声有一定鲁棒性.     

离散可激发介质中早期后去极化对螺旋波影响的数值研究

通过考虑某些不应态也可以被激发,在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入早期后去极化行为,研究了早期后去极化对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,早期后去极化对螺旋波有很大影响,这些影响包括使螺旋波漫游、漂移和破碎,导致螺旋波波纹被扭曲和波臂粗细交替变化,以及导致螺旋波的周期在两个值之间交替变化,产生从稳定螺旋波到呼吸螺旋波和反螺旋波的相变等.当不应态的激发阈值很高时,早期后去极化对螺旋波没有影响.对发生上述现象作了简要的讨论. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 早期后去极化     

用低通滤波方法终止心脏组织中的螺旋波和时空混沌

通过让心肌细胞钠离子通道的触发门变量延迟打开, 使介质具有激发延迟能力, 介质延迟激发时间随控制电压和刺激频率增加而增加, 当控制电压超过一个阈值时, 延迟激发介质具有低通滤波作用:低频波可以连续通过, 而高频波不能连续通过. 本文用Luo-Rudy相I模型研究了介质延迟激发对螺旋波和时空混沌的影响, 数值模拟结果表明: 当控制电压超过阈值时, 介质的延迟激发可有效消除螺旋波和时空混沌; 从小逐渐增大控制电压, 在钙最大电导率较小情况下, 延迟激发会导致介质激发性降低, 使螺旋波漫游幅度增大, 直至传导障碍导致螺旋波消失; 当钙最大电导率较大时, 延迟激发会导致螺旋波失稳变弱, 这样当控制电压增加到一定值时, 时空混沌可以演化成漫游螺旋波, 当控制参数被适当选取时, 观察到漫游幅度大的螺旋波漫游出系统边界消失现象, 继续增大控制电压将导致时空混沌直接消失.     

通过被动介质耦合的两螺旋波的同步

采用Br模型研究了通过被动介质耦合的两二维可激发系统中螺旋波的同步,被动介质由可激发元素组成,这些元素之间不存在耦合.数值模拟结果表明,被动介质对螺旋波的同步有很大影响,当两系统中的初态螺旋波相同时,被动介质可导致稳定螺旋波发生漫游,螺旋波转变为螺旋波对或反靶波;当两系统中的初态螺旋波不同步时,在适当的参数下,两螺旋波可以实现同步、相同步,此外还观察到两螺旋波波头相互排斥、多螺旋波共存、同步的时空周期斑图、系统演化到静息态等现象.在被动介质中,一般可观察到波斑图,但是在某些情况下,被动介质会出现同步振荡现象.这些结果有助于人们理解心脏系统中出现的时空斑图.     

螺旋波动力学性质的元胞自动机有向小世界网络研究

以Greenberg-Hastings激发介质元胞自动机模型为基础,研究了有向小世界网络中重新连接概率p对螺旋波动力学行为的影响.对于在规则网络下的稳定螺旋波,施加有向小世界网络后发现:当p值较小时,原本稳定的螺旋波仍保持其稳定性.随着p的增大,先后观察到螺旋波持续漫游、螺旋波断裂以及螺旋波消失等现象.通过监测系统的激发比率,发现以上现象的产生源于介质激发性随p的增大而降低.同时还发现元胞周期的变化也与p有关. 关键词： 元胞自动机 螺旋波 激发介质 有向小世界网络     

Formation and instability of spiral wave induced by Gaussian coloured noise

In this paper, we studied the effect of Gaussian coloured noise on the formation and instability of spiral waves described by one class of modified FitzHugh--Nagumo equation. It was found that Gaussian coloured noise plays a constructive role in the formation, transition and instability of spiral wave. Too weak or too strong noise may act against the formation of spiral waves. At a certain noise level, spiral wave is maintained in a medium, in which spiral wave cannot be observed in the absence of the noise. It is difficult to make a stable spiral wave into unstable state by Gaussian coloured noise, unless the noise level is very high. The parameter regions of Gaussian coloured noise for spiral forming and spiral instability were given and discussed with numerical simulations.     

Breakup of Spiral Waves in Coupled Hindmarsh--Rose Neurons

Breakup of spiral wave in the Hindmarsh-Rose neurons with nearest-neighbour couplings is reported. Appropriate initial values and parameter regions are selected to develop a stable spiral wave and then the Gaussian coloured noise with different intensities and correlation times is imposed on all neurons to study the breakup of spiral wave, respectively. Based on the mean field theory, the statistical factor of synchronization is defined to analyse the evolution of spiral wave. It is found that the stable rotating spiral wave encounters breakup with increasing intensity of Gaussian coloured noise or decreasing correlation time to certain threshold.     

激发介质中螺旋波失稳的微观机理研究

采用晶格Boltzmann方法研究了激发介质中螺旋波的失稳,计算机数值模拟给出了激发介质中螺旋波失稳前后的速度场分布,并结合斑图和波头轨迹进行讨论发现,稳定螺旋波的速度场分布表现为螺旋波旋转中心处的速度做周期突变;在螺旋波开始失稳时,速度场分布表现为该位置粒子速度突变加快最后变得无规律,使速度集团分解无规律,导致速度场分布越来越混乱,并最终使系统进入时空混沌态. 关键词： 晶格Boltzmann方法 激发介质 螺旋波 时空混沌     

时变反应扩散系统中螺旋波和湍流的控制

研究了一类参数时变的反应扩散系统中螺旋波和湍流对外电场的响应问题.在数值模拟中,以一类改进的Fitzhugh-Nagumo模型为研究对象(在恰当参数值下可分别描述激发介质和振荡介质),考虑随机和不确定因素(如内外噪声、气压、温度梯度分布和介质形变等)所引起的系统参数涨落对斑图演化的影响,在模拟中选取的参数涨落范围确保系统可以观测到稳定旋转的螺旋波、漫游的螺旋波和湍流,经历一定的暂态过程后,对介质施加极化电场,研究螺旋波和湍流在外电场中的演化.数值计算结果表明：在系统参数发生涨落和外电场强度比较小情况下,主 关键词： 螺旋波 湍流 时变系统 Fitzhugh-Nagumo模型     

Spiral Wave in Small-World Networks of Hodgkin--Huxley Neurons

The effect of small-world connection and noise on the formation and transitionof spiral wave in the networks of Hodgkin-Huxley neurons are investigated in detail. Some interesting results are found in our numerical studies. i) The quiescent neurons are activated to propagate electric signal to others by generating and developing spiral wave from spiral seed in small area. ii) A statistical factor is defined to describe the collective properties and phase transition induced by the topology of networks and noise. iii) Stable rotating spiral wave can be generated and keeps robust when the rewiring probability is below certain threshold, otherwise, spiral wave can not be developed from the spiral seed and spiral wave breakup occurs for a stable rotating spiral wave. iv) Gaussian white noise is introduced on the membrane of neuronsto study the noise-induced phase transition on spiral wave in small-world networks of neurons. It is confirmed that Gaussian white noise plays active role in supporting and developing spiral wave in the networks of neurons, and appearance of smaller factor of synchronization indicates high possibility to induce spiral wave.     

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.     

非均匀激发介质中螺旋波的演化

采用简单的离散可激发介质模型研究了不同性质和形状的小异质性颗粒对螺旋波演化的影响,在小异质性颗粒均匀分布的情况下,螺旋波的失稳与小异质性颗粒的形状、分布密度和性质有关.数值研究结果表明:在适当的条件下,可以观察到稳定螺旋波发生漫游和螺旋波漂移出系统边界现象,首次观察到螺旋波破碎成空间无序的周期变化斑图和破碎成时空有序的迷宫斑图现象,简要讨论了产生这些现象的物理机理.     

离散可激发介质激发性降低的几种起因

采用简单的可激发介质元胞自动机模型,通过在均匀介质中引入死亡细胞、疲劳细胞以及让元胞的激发阈值作周期变化使螺旋波漫游.通过监测元胞的激发比率,发现不同原因导致的螺旋波漫游有一个共同的特点：螺旋波漫游情况下的元胞的激发比率较螺旋波不漫游情况下的元胞激发比率减小许多,表明介质的激发性降低与死亡细胞、疲劳细胞的数量以及元胞的激发阈值作周期变化有关;研究结果还表明：介质激发性的降低始终伴随螺旋波频率的减小.这些结果对心脏病的预防与治疗可能会提供有益的帮助. 关键词： 元胞自动机 可激发介质 螺旋波 漫游     

Development and transition of spiral wave in the coupled Hindmarsh--Rose neurons in two-dimensional space

The dynamics and the transition of spiral waves in the coupled Hindmarsh--Rose (H--R) neurons in two-dimensional space are investigated in the paper. It is found that the spiral wave can be induced and developed in the coupled HR neurons in two-dimensional space, with appropriate initial values and a parameter region given. However, the spiral wave could encounter instability when the intensity of the external current reaches a threshold value of 1.945. The transition of spiral wave is found to be affected by coupling intensity D and bifurcation parameter r. The spiral wave becomes sparse as the coupling intensity increases, while the spiral wave is eliminated and the whole neuronal system becomes homogeneous as the bifurcation parameter increases to a certain threshold value. Then the coupling action of the four sub-adjacent neurons, which is described by coupling coefficient D’, is also considered, and it is found that the spiral wave begins to breakup due to the introduced coupling action from the sub-adjacent neurons (or sites) and together with the coupling action of the nearest-neighbour neurons, which is described by the coupling intensity D.