在兴奋-抑制混沌神经元网络中有序波的自发形成

大脑皮层在一定条件下可以自发出现螺旋波和平面波,为了了解这些有序波的产生机制,构造了一个双层的二维神经元网络.该网络由最近邻兴奋性耦合和长程抑制性耦合层组成,采用修改后的Hindmarsh-Rose神经元模型研究了该混沌神经元网络从具有随机相位分布的初态演化是否能自发出现各种有序波.数值模拟结果表明:当抑制性耦合强度比较小时,系统一般不会自发出现有序波;在兴奋性耦合强度足够大的情况下,抑制性耦合强度越大,系统越容易产生有序波.系统出现不同的有序波与系统初态和耦合强度有密切关系,适当选择兴奋性和抑制性耦合的耦合强度,系统会自发出现迷宫斑图、平面波、单螺旋波、多螺旋波、旋转方向相反的螺旋波对、双臂螺旋波、靶波、向内方形波等有序波斑图.螺旋波、迷宫斑图和内向方形波出现概率分别达到27.5%, 21.5%和10.0%,这里的迷宫斑图是由不同传播方向的许多平面波组成,其他有序波出现概率比较小.研究结果有助于理解发生在大脑皮层中的自组织现象.     

神经元网络中局部同步引发的各种效应

在大脑皮层中,神经元大范围的同步放电可以引发癫痫,而癫痫发作期间可以自发出现螺旋波,大量神经元的同步放电与螺旋波自发产生之间的关系目前仍不清楚.本文通过增加水平长程连接构造了具有局域长程耦合区的二维神经元网络,采用Morris-Lecar神经元模型研究了具有多个长方形长程耦合区的神经元网络中波的传播,数值模拟结果表明:传播方向与长程耦合朝向平行的平面波和靶波经过长程耦合区会导致长程耦合区内的神经元同步激发,这种同步激发伴随一部分神经元延迟激发,而另一部分提前激发;当长程耦合区宽度超过临界宽度时,长程耦合区所有神经元延迟激发;当长程耦合区宽度超过最大导通宽度时,波将不能通过长程耦合区.当适当选择长方形长程耦合区的尺寸时,神经元同步激发可使网络出现波回传效应和具有波传播方向的选择性,而且这种波传播方向的选择性对神经元是否处于定态和耦合强度变化很敏感,以致高频平面波列可以部分通过宽度超过最大导通宽度的长程耦合区,因此可以通过对长程耦合区内的神经元施加微扰来控制低频波是否可以通过一定宽度的长程耦合区.对于适当选取的神经元网络结构,当平面波或靶波经过长程耦合区时,网络可自发出现自维持平面波、螺旋波和靶波等现象.本文对产生这些现象的物理机制作了分析.     

在具有排斥耦合的神经元网络中有序斑图的熵测量

脑神经网络在一定条件下可以自发出现行波、驻波、螺旋波,这些有序时空斑图的出现往往与某种神经疾病有关,但是其产生的机制尚未完全清楚,如何定量描述这些时空斑图的性质仍需要探索,为了解决这些问题,本文采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究了具有排斥耦合的二维双耦合层神经元网络从混沌初相位开始演化的动力学行为,并用改进的集团熵来描述神经元网络的时空斑图.数值模拟结果表明:排斥耦合既可以促进有序斑图的形成,也可以抑制有序斑图的形成.适当选择排斥和兴奋性耦合强度,排斥耦合可导致单螺旋波、多螺旋波、行波、螺旋波和靶波与其他态共存、行波与驻波共存等有序斑图出现,螺旋波、行波出现概率分别达到0.4555和0.1667.靶波与其他态共存和行波与驻波共存出现概率分别达到0.0389和0.1056,我们提出的集团熵可以较好区分这些有序斑图和混沌态.当排斥耦合强度足够大时,网络一般处于混沌态.当网络处于弱耦合状态时,通过计算集团熵发现网络可以出现很大集团,这些结果有助于理解在实验中观察到的现象,从而能为神经疾病治疗提供帮助.     

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.     

非旋波近似下Tavis-Cummings模型的定态能谱和纠缠演化

利用相干态正交化展开法研究非旋波近似下Tavis-Cummings模型的定态能谱,以及模型中原子初态和耦合强度对系统纠缠度的影响.结果表明:系统的基态是非简并的,对应于两原子处于交换对称态.当两原子的初态处于交换反对称状态时,两原子间的纠缠能一直处于最大纠缠;在非旋波项的作用下,两原子初态处于非纠缠态时也能够产生周期性的纠缠.腔场与原子间的耦合强度对系统的演化有着重要作用.     

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.     

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.     

两个延迟耦合FitzHugh-Nagumo系统的动力学行为

考虑了两个延迟耦合FitzHugh-Nagumo系统，首先分析两点延迟耦合的动力学行为，给出静息态的局部稳定和不稳定的参数区. 螺旋波同步、共同的静息态以及两个系统不同的状态出现在静息态稳定参数区内，在这些态的过渡耦合强度参数区内会出现很多演化图样，它们反映了螺旋波波头、波体和波尾的不同，也反映空间尺度对螺旋波的影响.讨论了静息态局部不稳定参数区内，两点延迟耦合的动力学行为和相应参数下两个延迟耦合反应-扩散系统的斑图动力学行为. 关键词： FitzHugh-Nagumo系统 螺旋波 同步     

单向耦合神经元网络中螺旋波的自发形成机制

构造一个具有单向耦合的二维神经元网络,引入信息传输熵来描述定向信息传输,采用Hindmarsh-Rose神经元模型研究网络中螺旋波等有序波自发产生的机制.数值模拟表明：适当选取耦合的强度和单向耦合的距离,网络可自发出现螺旋波、行波、靶波和平面波.各种有序波的产生与网络中出现信息间歇定向传输有关,网络出现单或多螺旋波时发生熵共振现象.噪声、抑制性耦合和排斥性耦合诱发螺旋波时网络中也存在信息间歇定向传输.首次发现自维持长平面波,其存在是由于网络存在持续的强信息定向传输.     

耦合Hindmarsh-Rose神经元的放电模式和完全同步

通过数值模拟和分岔分析的方法研究了Hindmarsh-Rose（HR）神经元的放电模式。当外加直流激励变化时，单个的神经元表现为静息态、周期性峰放电、周期性簇放电以及混沌的放电模式。利用快慢动力学分析的方法研究了HR神经元的动力学行为。当每个神经元表现为静息态、周期性放电和混沌时，两个耦合的神经元在一定的耦合强度下均会达到完全同步。神经元的耦合方式模拟神经元之间缝隙连接的电耦合。理论分析了完全同步的判断准则，并给出相应的数值模拟结果。电耦合HR神经元耦合系统的峰峰间期的分岔结构在耦合的作用下仍然能保持未耦合时的分岔结构。     

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     

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.     

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.     

Doppler instability of antispiral waves in discrete oscillatory reaction-diffusion media

This paper investigates antispiral wave breakup phenomena in coupled two-dimensional FitzHugh-Nagumo cells with self-sustained oscillation via Hopf bifurcation.When the coupling strength of the active variable decreases to a critical value,wave breakup phenomenon first occurs in the antispiral core region where waves collide with each other and spontaneously break into spatiotemporal turbulence.Measurements reveal for the first time that this breakup phenomenon is due to the mechanism of antispiral Doppler instability.     

Exploring the role of inhibitory coupling in duplex networks

The electrical coupling of myocytes and fibroblasts can play a role in inhibiting electrical impluse propagation in cardiac muscle. To understand the function of fibroblast–myocyte coupling in the aging heart, the spiral-wave dynamics in the duplex networks with inhibitory coupling is numerically investigated by the Br–Eiswirth model. The numerical results show that the inhibitory coupling can change the wave amplitude, excited phase duration and excitability of the system. When the related parameters are properly chosen, the inhibitory coupling can induce local abnormal oscillation in the system and the Eckhaus instability of the spiral wave. For the dense inhibitory network, the maximal decrement(maximal increment) in the excited phase duration can reach 24.3%(13.4%), whereas the maximal decrement in wave amplitude approaches 28.1%. Upon increasing the inhibitory coupling strength, the system excitability is reduced and even completely suppressed when the interval between grid points in the inhibitory network is small enough. Moreover, the inhibitory coupling can lead to richer phase transition scenarios of the system, such as the transition from a stable spiral wave to turbulence and the transition from a meandering spiral wave to a planar wave. In addition, the self-sustaining planar wave, the unique meandering of spiral wave and inward spiral wave are observed. The physical mechanisms behind the phenomena are analyzed.     

Large-deviation properties of resilience of transportation networks

In this study, we consider a propagating wave segment in two dimensions. A reaction diffusion system with global feedback is proposed, and spiral waves and propagating wave segments are shown. Propagating wave segments with large arc lengths can exist due to the absence of strong lateral inhibition. In order to study the properties of propagating wave segments, we propose a kinematic model with global feedback. When the elongating and shortening effects on the curve are balanced, stable propagating wave segments exist. For other cases, the initial wave segment evolves into a spiral wave or expanding wave or shrinking wave. The conditions for the propagating wave segment and the dependences of the solutions on the various relevant parameters are discussed.