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.     

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     

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.     

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     

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     

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     

人类心室组织中波斑图引起的后除极化研究

突然的心脏死亡常常由心脏的心律失常引起,而心律失常常与后除极化有关.本文采用人类心脏模型研究了二维心肌组织中存在螺旋波或其他波斑图下后除极化的发生,通过改变L型钙电导和快钾电导让螺旋波演化,观察后除极化在空间的分布.研究发现:在单细胞和一维情况下不出现后除极化时,螺旋波可导致相II型和相III型早期后除极化、延迟后除极化、增强的自动性,以及延时激发和延时增强自动性的出现;还观察到螺旋波导致膜电位在动作电位I期出现弱振荡;后除极化一般出现在螺旋波波核区域,它是由螺旋波的相奇异点引起.后除极化也可以分布在更大的范围,当参数选取适当时,出现早期后除极化、延迟后除极化、增强自动性的空间点在空间呈螺旋线分布,展示记忆效应.通过观察各种离子电流变化发现:当激发细胞的钠电流很小时可诱发L型钙电流、钠钙交换电流的增大和慢钾电流、快钾电流的减少,导致各种后除极化的产生,因此增大钠电流可有效抑制后除极化的发生.     

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     

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。     

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.     

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.     

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     

Emergence of spatiotemporal chaos arising from far-field breakup of spiral waves in the plankton ecological systems

It has been reported that the minimal spatially extended phytoplankton--zooplankton system exhibits both temporal regular/chaotic behaviour, and spatiotemporal chaos in a patchy environment. As a further investigation by means of computer simulations and theoretical analysis, in this paper we observe that the spiral waves may exist and the spatiotemporal chaos emerge when the parameters are within the mixed Turing--Hopf bifurcation region, which arises from the far-field breakup of the spiral waves over a large range of diffusion coefficients of phytoplankton and zooplankton. Moreover, the spatiotemporal chaos arising from the far-field breakup of spiral waves does not gradually invade the whole space of that region. Our results are confirmed by nonlinear bifurcation of wave trains. We also discuss ecological implications of these spatially structured patterns.     

From local to global spatiotemporal chaos in a cardiac tissue model

Two kinds of chaos can occur in cardiac tissue, chaotic meander of a single intact spiral wave and chaotic spiral wave breakup. We studied these behaviors in a model of two-dimensional cardiac tissue based on the Luo-Rudy I action potential model. In the chaotic meander regime, chaos is spatially localized to the core of the spiral wave. When persistent spiral wave breakup occurs, there is a transition from local to global spatiotemporal chaos.     

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.     

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.     

Control of Spiral Waves and Spatiotemporal Chaos by Exciting Travel Wave Trains

Spiral waves and spatiotemporal chaos usually are harmful and need to be suppressed. In this paper, a method is proposed to control them. Travel wave trains can be generated by periodic excitations near left boundary,spiral waves and spatiotemporal chaos can be eliminated by the trains for some certain excitation periods. Obvious resonant behavior can be observed from the relation between the periods of the trains and excitation ones. The method is against noise.     

Control of Spiral Waves and Spatiotemporal Chaos by Exciting Travel Wave Trains

Spiral waves and spatiotemporal chaos usually are harmful and need to be suppressed. In this paper, a method is proposed to control them. Travel wave trains can be generated by periodic excitations near left boundary, spiral waves and spatiotemporal chaos can be eliminated by the trains for some certain excitation periods. Obvious resonant behavior can be observed from the relation between the periods of the trains and excitation ones. The method is against noise.     

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.