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     

非对称耦合两层可激发介质中的螺旋波动力学

本文采用Bär-Eiswirth模型研究了两层可激发介质中螺旋波的动力学, 两层介质采用抑制和兴奋性非对称耦合. 数值模拟结果表明: 兴奋性非对称耦合可以促进两个不同频率的螺旋波锁频, 即使初始频率相差大, 两螺旋波也能实现锁频, 这种耦合使两个螺旋波具有最强的锁频能力; 当两层介质采用抑制性非对称耦合时, 只有当两个初始螺旋波的频率差比较小才能实现锁频, 而且比一般扩散耦合的锁频范围窄, 两螺旋波锁频能力达到最低水平; 当耦合强度和控制参数适当选取时, 抑制性和兴奋性非对称耦合既可以使其中一层介质维持螺旋波态, 使另一层介质中的螺旋波演化到静息态或低频靶波态, 也可以使两层介质中的螺旋波都漫游, 或都转变成靶波, 最后这两个靶波要么消失, 要么转变成平面波状的振荡斑图, 而且两层介质振荡是反相的, 此外在模拟中还观察到两螺旋波局部间歇锁频现象, 这些结果有助于人们理解在心脏系统中出现的复杂现象.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

三层弱循环耦合可激发介质中螺旋波动力学

采用Bär模型研究了具有循环反馈耦合的三层可激发介质中的螺旋波动力学行为,数值模拟结果显示: 在耦合强度较小时, 在各子系统中可观察到螺旋波漂移或漫游; 当耦合强度稍大时, 相互作用既可以使螺旋波漫游或漂移出系统边界而使子系统回到静息态,还可以使子系统的螺旋波态转变为靶波或湍流态, 并观察到子系统的渐近态依赖初值现象; 继续增大耦合强度, 三个子系统的螺旋波可达到近似广义同步; 当耦合强度更大时, 螺旋波演化为湍流态.     

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     

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     

Self-sustained target waves in excitable media with only a long-range link

In this paper we investigate spatiotemporal pattern formation in excitable media with only a long-range link. Besides the trivial solutions of spiral patterns, we find the asymptotic self-sustained target waves in the autonomous tissues. The wave source supporting this kind of new pattern is the oscillatory one-dimensional Winfree-loop self-organized under the presence of a long-range link, which is explored by the dominant phase-advanced driving method. Based on this understanding we can effectively regulate the oscillations of excitable media by suitably arranging the long-range link, including construction of self-sustained target waves with controllable period and wave length, or manipulation of system states between different patterns.     

Involutes: the geometry of chemical waves rotating in annular membranes

According to earlier theories certain parts of a chemical wave front propagating in a 2-D excitable medium with a convex obstacle should be involutes of that obstacle. The present paper discusses a special case where self-sustained chemical waves are rotating around a central obstacle in an annular 2-D excitable region. A simple geometrical model of wave propagation based on the Fermat principle (minimum propagation time) is suggested. Applying this model it is shown that the wave fronts in the case of an annular excitable region should be purely involutes of the central obstacle in the asymptotic state. This theory is supported by experiments in a novel membrane reactor where a catalyst of the Belousov-Zhabotinsky reaction is fixed on a porous membrane combined with a gel medium. Involutes of circular and triangular obstacles are observed experimentally. Deviations from the ideal involute geometry are explained by inhomogeneities in the membrane. (c) 1995 American Institute of Physics.     

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     

Stimulus-induced response patterns of medium-embedded neurons

Neuronal ensembles in living organisms are often embedded in a media that provides additional interaction pathways and autoregulation. The underlying mechanisms include but are not limited to modulatory activity of some distantly propagated neuromediators like serotonin, variation of extracellular potassium concentration in brain tissue, and calcium waves propagation in networks of astrocytes. Interaction of these diverse processes can lead to formation of complex spatiotemporal patterns, both self-sustained or triggered by external signal. Besides network effects, many dynamical features of such systems originate from reciprocal interaction between single neuron and surrounding medium. In the present paper we study the response of such systems to the application of a single stimulus pulse. We use a minimal mathematical model representing a forced excitable unit that is embedded in a diffusive or (spatially inhomogeneous) excitable medium. We illustrate three different mechanisms for the formation of response patterns: (i) self-sustained depolarization, (ii) propagation of depolarization due to “nearest-neighbor” networks, and (iii) re-entrant waves.     

Nonlinear dynamics of self-sustained supersonic reaction waves: Fickett's detonation analogue

The present study investigates the spatiotemporal variability in the dynamics of self-sustained supersonic reaction waves propagating through an excitable medium. The model is an extension of Fickett's detonation model with a state-dependent energy addition term. Stable and pulsating supersonic waves are predicted. With increasing sensitivity of the reaction rate, the reaction wave transits from steady propagation to stable limit cycles and eventually to chaos through the classical Feigenbaum route. The physical pulsation mechanism is explained by the coherence between internal wave motion and energy release. The results obtained clarify the physical origin of detonation wave instability in chemical detonations previously observed experimentally.     

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.