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     

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.     

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     

复Ginzburg-Landau方程中模螺旋波的稳定性研究

研究了复Ginzburg-Landau方程系统中模螺旋波与其他斑图在同一平面内的竞争行为,发现演化结果在系统参数平面内可分为四个主要区域:在I区和III区中,模螺旋波与相螺旋波相比稳定性较差,模螺旋波的空间被相螺旋波所入侵.在II区中,模螺旋波具有较强的稳定性,相螺旋波的空间被模螺旋波所入侵.在IV区内,由于时空混沌所导致的频率不稳定性,演化的结果较为复杂.我们通过对模螺旋波、相螺旋波以及时空混沌的频率分析,发现当模螺旋波的系统参数为α1=-1.34,β1=0.35时,较高频率的模螺旋波具有较好的稳定性,高频模螺旋波可以入侵低频斑图空间.竞争结果主要受系统变量实部的频率影响,频率分析所得到的理论结果与数值实验结果符合得非常好.     

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.     

反应扩散系统中反螺旋波与反靶波的数值研究

采用三变量Brusselator扩展模型在二维空间对反应扩散系统中反螺旋波和反靶波进行了数值模拟,利用色散关系和参量的时空变化研究了反螺旋波与反靶波的形成机制和时空特性,分析了方程参数对反螺旋波与反靶波的影响,获得了多种不同臂数的反螺旋波.模拟结果表明：反螺旋波源于波失稳、霍普失稳,或两种失稳的共同作用,而在反靶波中除上述两种失稳外还同时存在图灵失稳,波的传播方向均由外向内;反螺旋波波头的相位运动方向与波的走向相同,且旋转周期随臂数的增加逐渐增大;多臂数的反螺旋波由于受微扰及边界条件的影响,在波头的持续旋转运动中可以向臂数少的反螺旋波发生转变,并且在一定条件下单臂反螺旋波可实现到反靶波的转变;当不活跃中间物质的浓度的扩散系数超过临界值时,波的传播方向发生改变,系统可以实现反螺旋波到螺旋波以及反靶波到靶波的转变.     

时空调制引起的漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象

以Barkley模型为研究对象, 研究了在时空调制作用下螺旋波时空动力学行为特性. 发现在适当的调制参数的作用下, 能够在同一系统中同时观察到漫游螺旋波与旅行螺旋波. 通过数值模拟研究分析, 给出了能产生漫游螺旋波与旅行螺旋波共存现象的潜在机理, 并详细讨论了在Barkley 模型中要产生这种共存现象的两个必要条件. 关键词： 时空调制 漫游螺旋波 旅行螺旋波     

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.     

神经元网络螺旋波诱发机理研究

实验研究发现大脑皮层电活动和信号传播有类似螺旋波的特征.本文利用包含离子通道效应的Hodgkin-Huxley神经元构造规则网络来研究螺旋波的形成机理,利用缺陷阻挡行波的方法在神经元网络中诱导到不同周期的螺旋波,分析了螺旋波产生条件和耦合强度对螺旋波的影响.同时,对脑皮层中螺旋波形成的机理进行了讨论.     

气体放电系统中多臂螺旋波的数值分析

采用Purwins的三变量模型, 在二维空间对气体放电系统中多臂螺旋波的形成和转化进行了数值研究. 通过分析方程参数对系统空间的影响, 确定了系统获得稳定螺旋波的参数空间; 得到了斑图由简单静态六边形到螺旋波的演化过程, 分析了螺旋波的形成机制和时空特性; 进一步获得六种不同臂数的多臂螺旋波斑图(例如: 双臂、三臂、四臂、五臂、六臂和七臂螺旋波). 结果表明: 螺旋波斑图出现在图灵-霍普夫(Turing-Hopf)空间, 是Turing模和Hopf模相互竞争、相互作用的结果; 不同臂数的螺旋波波头均在持续地旋转运动, 其运动速度随螺旋波臂数的增加而增大; 随着螺旋波臂数的增加, 其波头的运动形式愈加复杂; 由于受微扰及边界条件的影响, 多臂螺旋波可以向臂数少一的螺旋波发生转变, 数值模拟结果与实验结果符合较好. 关键词： 螺旋波 数值模拟 气体放电     

稳定激发介质中的不稳定螺旋波

采用Br模型研究了控制螺旋波破碎问题。考虑到螺旋波破碎是由于多普勒不稳定产生的,我们提出在均匀介质中引入不可激发介质缺陷和可变性介质缺陷,通过让螺旋波波头绕缺陷运动来稳定螺旋波。研究结果表明,不同的介质缺陷稳定螺旋波的能力有所不同,可变性介质缺陷防止螺旋波破碎的能力更强。这些研究结果能够为心脏学家防止心颤致死提供有用的信息。     

极化电场对可激发介质中螺旋波的控制

螺旋波在不同的物理、化学和生物系统中普遍存在.周期外场,比如极化电场,尤其是具有旋转对称性的圆极化电场可对螺旋波动力学产生重要影响.本文综述了极化电场对可激发介质中螺旋波的控制,包括共振漂移、同步、手征对称性破缺、多臂螺旋波的稳定、次激发介质中的螺旋波、三维回卷波湍流态的控制、心脏组织中螺旋波的去钉扎、心脏组织中螺旋波湍流态的控制等.     

激发介质中去极化对螺旋波动力学影响的数值研究

考虑可激发介质的不应态可以被激发,在Bar模型中引入去极化行为,研究去极化对稳定螺旋波的影响.数值模拟结果显示,适当选择去极化阈值、去极化激发时间,可以使螺旋波漂移、漫游,甚至使螺旋波漫游出系统边界,还可以使系统出现宽臂螺旋波、双臂螺旋波、双峰波、多个螺旋波共存、时空混沌等现象.对产生这些现象的机理进行了分析.     

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。     

传导延迟对螺旋波动力学行为的影响

采用Greenberg-Hastings离散激发介质模型研究传导延迟对螺旋波动力学行为的影响.模拟结果表明:某些情况下,延迟对螺旋波动力学行为无影响;在适当参数下,可观察到螺旋波波长和波速的改变、呼吸螺旋波、多臂螺旋波以及螺旋波和反螺旋波共存现象,对产生这些现象的物理机制作了简要的解释.     

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.     

非均匀可激介质中的螺旋波

以Barkley模型为对象,研究了可激介质的非均匀性对螺旋波斑图形成的影响.该模型中各参数与可激介质的属性密切相关,通过参数涨落的正态分布来刻画非均匀性,数值研究了单参数以及多参数涨落的正态分布情形下螺旋波斑图的形成.研究表明,可激介质的非均匀性对于螺旋波波纹的粗细及疏密程度有较大影响.参数涨落分布的方差越大,形成的螺旋波波纹越粗糙.对于两参数均匀分布的极端情形,当参数分布大于某一范围,无法形成螺旋波.这些都与螺旋波旋转的角频率密切相关.螺旋波旋转的角频率越大,螺旋波波纹越粗,同时波纹越密集;反之,螺旋波 关键词： 螺旋波 非均匀介质 Barkley模型     

传导阻滞和折返效应对螺旋波演化行为的影响

采用元胞自动机模型研究传导速度恢复关系导致的传导阻滞与折返效应及其对螺旋波演化行为的影响，发现稳定螺旋波的形状、螺旋波的爱克豪斯失稳及多普勒失稳均与传导阻滞及折返效应有关：稳定螺旋波呈现内凹形是因为系统沿各方向的阻滞程度不同，呈菱形是因为所有元胞沿斜向传导的电信号都被严重阻滞；螺旋波的爱克豪斯失稳源于螺旋波外围存在较强的传导阻滞及因此导致的电信号折返，两者共同作用造成开始于外围的波臂断裂；螺旋波的多普勒失稳产生于出现在波头附近的较强传导阻滞，这种传导阻滞使波头附近的波臂沿某个方向挤压而沿另外方向拉伸，导致开始于波头附近的波臂断裂。本研究从细胞水平和电信号传导角度解释螺旋波不同演化行为的产生原因。     

用同步复极化终止心脏中的螺旋波和时空混沌

为了模拟电击除颤导致动作电位持续时间缩短, 在Luo-Rudy相I心脏模型中引入了同步复极化. 研究了同步复极化对螺旋波和时空混沌动力学的影响. 数值结果表明: 在控制周期比较小的情况下, 同步复极化可以有效消除螺旋波和时空混沌, 在有一些控制参数下, 同步复极化只能消除螺旋波, 或者只能消除时空混沌. 当螺旋波不被控制时, 观察到螺旋波转变为长周期和长波长的螺旋波或破碎成时空混沌的现象. 并对控制机制进行了分析. 关键词： 螺旋波 时空混沌 同步复极化 控制     

间接延迟耦合可激发介质中螺旋波的演化

采用Bär 模型研究了通过被动介质间接延迟耦合的两层可激发介质中螺旋波的相互作用. 数值模拟结果表明: 延迟耦合可以促进两个螺旋波的同步, 也可导致从螺旋波到集体振荡、各种靶波、时空混沌态或静息态的转变; 在这个耦合系统中还观察到周期 2和周期3螺旋波以及螺旋波漫游和漂移现象; 对产生这些现象的物理机制做了讨论. 关键词： 螺旋波 被动介质 时间延迟耦合 同步