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     

激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响

采用元胞自动机模型研究激发介质相对不应态对螺旋波动力学行为的影响。数值模拟表明：元胞激发阈值存在一临界区间,该区间的螺旋波周期会突然增加,并存在一最大周期,在合适的系统尺寸和状态数下,螺旋波周期不再受相对不应态的影响而只取决于系统的激发阈值;相对不应态导致螺旋波“Z”型漫游、小范围无规律漫游、花瓣状漫游、锯齿状漫游、风车状漫游等复杂的波头运动。观察到稳定螺旋波、漫游螺旋波和螺旋波消失,并对产生这些现象的机制作简要的解释。     

用元胞自动机模型研究二维激发介质中的非线性波

采用Greenberg-Hasting元胞自动机模型研究了激发介质中非线性波的有关性质：在零流边界条件下根据计算机数值模拟研究了行波波速随邻域半径、激发阈值的变化关系,分析得到激发介质的激发条件;同时模拟研究了螺旋波波头轨迹受不应态数和激发阈值的影响并分析产生这些影响的内在微观机理. 关键词： 元胞自动机 激发介质 非线性波     

具有早期后除极化现象的可激发系统中螺旋波破碎方式研究

在Greenberg-Hasting元胞自动机模型中引入了正常元胞和老化元胞,并规定只有老化元胞存在早期后除极化现象且早期后除极化可以激发其他元胞.在正常元胞和老化元胞均匀分布的情况下,研究了早期后除极化对螺旋波演化行为的影响,重点探讨了早期后除极化导致的螺旋波破碎方式.数值模拟结果表明:早期后除极化在比率约为26.4%的少数情况下不对螺旋波产生影响,在其他情况下则会对螺旋波产生各种影响,包括使螺旋波漫游、漂移、波臂发生形变以及导致螺旋波破碎和消失等.观察到早期后除极化通过传导障碍消失和通过转变为反靶波消失,早期后除极化导致螺旋波破碎有8种方式,包括非对称破缺导致的破碎、对称破缺导致的破碎、同时激发双波导致的破碎、非对称激发导致的破碎、整体传导障碍导致的破碎、整体快速破碎等.分析发现这些螺旋波破碎现象都与早期后除极化产生回火波有关,得到螺旋波破碎的总比率通常约为13.8%,但是在适当选取老化元胞密度和早期后除极化的激发下,螺旋波破碎比率可达到32.4%,这些结果与心律失常致死的统计结果基本一致,本文对产生这些现象的物理机理做了简要分析.     

动作电位动态变化对螺旋波演化行为的影响

在心脏病患者的心脏中观察到心室不同部位的心肌细胞动作电位时长(APD)恢复曲线陡峭程度差别很大,而陡峭的APD恢复曲线既可以在某些情况下导致螺旋波破碎和心室纤维性颤动,也可能在另一些情况下不导致螺旋波破碎,螺旋波动力学行为与陡峭的APD恢复曲线的关系仍未完全清楚,因此需要深入研究.本文采用二维可激发介质元胞自动机模型,研究陡峭程度不同的APD恢复曲线下螺旋波的动力学行为,数值模拟结果表明:陡峭的APD恢复曲线可以使漫游螺旋波稳定,也可以促进螺旋波漫游或引起破碎,甚至使螺旋波消失,观察到在APD恢复曲线总平均斜率大于1情况下螺旋波仍维持稳定或漫游,在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下螺旋波出现破碎;在APD恢复曲线总平均斜率大于1的情况下观察到多普勒失稳、爱克豪斯失稳和APD交替变化三种螺旋波破碎方式,其中APD交替变化导致的螺旋波破碎可在APD恢复曲线总平均斜率比1小很多的情况下发生.观察到螺旋波通过漫游出系统边界和遇到传导障碍消失.此外,还发现通过增大元胞APD有利于防止螺旋波破碎.对产生这些现象的物理机制进行解释.     

心脏老化和收缩对螺旋波动力学的影响研究

通过用Greenberg-Hasting元胞自动机模型的邻域半径和激发阈值的增大来模拟心脏老化,用邻域半径交替变化代替心脏收缩与舒张,数值模拟研究了心脏老化和有规律收缩对螺旋波动力学的影响.结果表明:心脏老化会导致螺旋波漫游和不能产生螺旋波,既可以使螺旋波波长缩短和螺旋波周期维持不变,也可以使螺旋波的波长变长和周期增大;在心脏老化和有规律收缩共同作用下,系统可出现不同形状的螺旋波斑图、螺旋波发生破碎和消失等现象,给出了心力衰竭、心颤、死亡的发生概率,这些结果与流行病相关调查结果基本符合.     

无扩散功能的缺陷对螺旋波动力学行为的影响

采用Br 模型,在二维激发介质中引入无扩散功能的缺陷,研究了均匀分布的缺陷对螺旋波动力学行为的影响.研究发现,缺陷导致介质的激发性降低、波传播速度减少,在一定数量的缺陷均匀分布下,缺陷可以使原来稳定的螺旋波发生漫游或破碎,缺陷使原来不稳定的螺旋波稳定或漫游,首次在激发介质中观察到螺旋波因Doppler效应破碎形成小螺旋波和时空混沌共存现象.对产生这些现象的物理机理做了简要的讨论. 关键词： 激发介质 螺旋波 缺陷     

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     

无扩散功能的缺陷对螺旋波动力学行为的影响

采用Br 模型,在二维激发介质中引入无扩散功能的缺陷,研究了均匀分布的缺陷对螺旋波动力学行为的影响.研究发现,缺陷导致介质的激发性降低、波传播速度减少,在一定数量的缺陷均匀分布下,缺陷可以使原来稳定的螺旋波发生漫游或破碎,缺陷使原来不稳定的螺旋波稳定或漫游,首次在激发介质中观察到螺旋波因Doppler效应破碎形成小螺旋波和时空混沌共存现象.对产生这些现象的物理机理做了简要的讨论.     

两层耦合可激发介质中螺旋波转变为平面波

采用Br-Eiswirth模型研究了两层耦合可激发介质中螺旋波的动力学,两层介质通过网络连接,即在每一层介质上,每一列选一个可激发单元作为中心点,在一层介质上同一列的可激发单元只与另一层介质上对应的中心点及其8个邻居有耦合.数值模拟结果表明:通过这种局部耦合,在适当小的耦合强度下两耦合螺旋波可实现同步,增大耦合强度会导致螺旋波漫游和漂移,造成螺旋波不同步,观察到螺旋波与静息态、低频平面波和不规则斑图共存现象.在适当强的耦合强度下,还观察到两螺旋波转变成同步的平面波消失现象.对产生这些现象的物理机理做了讨论.     

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     

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     

钾扩散耦合引起的心脏中螺旋波的变化

在某些情况下, 心肌细胞外的钾离子浓度是变化的, 钾离子的横向扩散会导致细胞外钾离子的聚集和产生钾扩散耦合, 用考虑钾扩散耦合的Luo-Rudy相I心脏模型研究了钾扩散耦合对螺旋波动力学的影响. 数值模拟结果表明: 当钾扩散耦合比较强时, 钾扩散耦合使细胞外钾离子浓度先升高, 然后做规则振荡, 导致螺旋波做无规则漫游; 观察到螺旋波的波臂宽度和频率随钾扩散耦合的强度增大而减小, 这样, 当钾扩散耦合足够强时, 钾扩散耦合可以消除螺旋波和时空混沌. 关键词： 钾扩散耦合 螺旋波 时空混沌     

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.     

交替行为对螺旋波影响的数值模拟研究

在离散可激发介质Greenberg-Hasting模型中引入交替(alternans)行为,研究了交替行为对螺旋波的影响.数值结果表明:在适当选择参数下,交替对螺旋波有很大影响,例如交替导致螺旋波的形状振荡,形成呼吸螺旋波,交替使螺旋波漫游、漂移,甚至使螺旋波漫游出系统的边界,交替使螺旋波破碎形成小螺旋波、反靶波和时空混沌等,首次在均匀介质中观察到交替导致传导障碍,使螺旋波破碎和消失,并对发生这些现象的机理进行了分析. 关键词： 离散可激发介质 螺旋波 靶波 漫游     

Robustness,Death of Spiral Wave in the Network of Neurons under Partial Ion Channel Block

The development of spiral wave in a two-dimensional square array due to partial ion channel block (Potas- sium, Sodium) is investigated, the dynamics of the node is described by Hodgkin-Huxley neuron and these neurons are coupled with nearest neighbor connection. The parameter ratio x Na (and xK ), which defines the ratio of working ion channel number of sodium (potassium) to the total ion channel number of sodium (and potassium), is used to measure the shift conductance induced by channel block. The distribution of statistical variable R in the two-parameter phase space (parameter ratio vs. poisoning area) is extensively calculated to mark the parameter region for transition of spiral wave induced by partial ion channel block, the area with smaller factors of synchronization R is associated the parameter region that spiral wave keeps alive and robust to the channel poisoning. Spiral wave keeps alive when the poisoned area (potassium or sodium) and degree of intoxication are small, distinct transition (death, several spiral waves coexist or multi-arm spiral wave emergence) occurs under moderate ratio x Na (and xK ) when the size of blocked area exceeds certain thresholds. Breakup of spiral wave occurs and multi-arm of spiral waves are observed when the channel noise is considered.     

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     

非均匀可激发介质中的稀密螺旋波

在非均匀可激发介质中,采用Barkley模型数值模拟了稀螺旋波和密螺旋波, 并对二者的动力学行为随参数的变化进行了研究. 结果发现:稀螺旋波的旋转频率随参数b的增加迅速减小,之后趋于饱和, 显示出不同于密螺旋波的行为;两种螺旋波的周期和波长随参数ε 和非均匀区域尺寸R的增加而增加,相对稀螺旋波而言,密螺旋波的性质对R的依赖更为敏感; 稀螺旋波端点的波速随R的增加而减小,与密螺旋波波速变化趋势相反. 另外,由于非均匀区域的影响,当ε 或b 超过某一临界值时,螺旋波臂上出现缺陷点.     

热敏神经元网络中螺旋波死亡和破裂的数值模拟

实验发现大脑皮层内出现螺旋波且螺旋波对神经元电信号传递有积极作用.利用细胞网络方法从对大脑皮层观察到的螺旋波进行数值模拟.以包含温度因子的热敏神经元模型在二维空间构造规则网络,研究了神经元膜片温度参数对神经元网络中螺旋波演化影响;定义了一类统计同步因子来刻画温度因子引起螺旋波相变(破裂和死亡)的临界条件.发现在规则网络下,当温度超过一定值后螺旋波会死亡和消失而导致整个网络达到均匀同步;在考虑了弱通道噪声情况下,螺旋波温度超越一定临界值则引起螺旋波的破裂.进一步分析了暂时性发烧昏迷的可能机制在于神经系统某些功能区螺旋波传播电信号的中断.     

The inverse excitation-induced abnormal spiral wave

The effects of a local constant forcing on spiral waves in two-dimensional excitable media described by Bär model are investigated. A constant external forcing is imposed on the core of spiral wave, leading to parameter variability of a medium. It is found that the forcing can significantly alter the shape and rotation period of spiral wave when the values of related parameters are properly chosen. The change of wave structure is attributed to the transition from normal excitation to inverse excitation in the forced medium. An abnormal spiral wave with a very thick spiral arm has been observed. The physical mechanism underlying these phenomena is theoretically analyzed.