基于反演自适应动态滑模的FitzHugh-Nagumo神经元混沌同步控制

本文采用反演自适应动态滑模控制实现耦合FitzHugh-Nagumo (FHN) 神经元混沌同步. 该方法将自适应技术与反演控制方法相结合, 通过设计新型切换函数, 采用动态滑模控制律, 实现了带有不确定参数的耦合FHN神经元混沌放电同步. 研究表明该方法可以有效地削弱系统的抖振, 从而避免破坏神经元的本质特性, 且响应速度快. 仿真结果证明了该控制方法的有效性. 关键词： 自适应 动态滑模控制 FitzHugh-Nagumo神经元 混沌同步     

大脑信息的研究

 人类需要了解自己,尤其是了解自己的大脑活动规律。埃克尔斯认为,大脑是一部机器或计算机,它的程序,由自我进行调节;哈肯认为,大脑是一个以物理学定律为基础的巨大系统,经由不同层次的自组织过程调节与控制。了解大脑之谜的关键问题是要知道信息在大脑内是如何产生、编码、加工和表达的,信息的载体是什么。人脑之所以不同于其他动物的脑,最明显的区别是人脑具有巨大的创造力,“创造力是大脑之谜中最深奥的一个……或许,创造力的本质仍被神秘的面纱掩盖为好。”所有这些问题是分子生物学、脑科学和生物物理学研究的前沿课题,正引起不同领域科学家的兴趣。     

定性映射、转化程度函数、人工神经元和集合模糊化

介绍了定性映射和转化程度函数及其诱导的人工神经元和模糊集,指出若定性基准的ω-内积变换使n个边界超平面推延至无穷大时,相应定性映射将退化为一个人工神经元.在某一类转化程度函数作用下,一个定性基准或集合可变为一个模糊集,该转化程度函数则变为该模糊集的隶属度函数.并说明了它们在模式识别和模式生成中的应用.     

关联高斯与非高斯噪声激励的FHN神经元系统的稳态分析

本文主要研究了关联乘性非高斯噪声和加性高斯白噪声共同激励的FHN(Fitz Hugh-Nagumo)神经元系统.利用路径积分法和统一色噪声近似,推导出该系统的定态概率密度函数表达式.通过研究发现,乘性噪声强度D、加性噪声强度Q、噪声自关联时间τ以及互关联系数λ均可以诱导系统产生非平衡相变现象,而非高斯参数q却不可以诱导系统产生非平衡相变现象.此外,我们还发现参数D和λ的增大有利于神经元系统从激发态向静息态转换,Q和τ的增大有利于神经元系统从静息态向激发态转换,q的增大会使得神经元系统停留在静息态的概率增加.     

基于改进单神经元的四旋翼PID控制器设计

针对传统PID控制算法对四旋翼飞行器的姿态角进行控制时,其控制参数很难随着环境的变化进行自整定,进而影响四旋翼飞行器的稳定性的问题,提出了一种改进的PID控制算法;该算法通过改进单神经元中的K值公式提高了K_p、K_i、K_d的学习速率,从而提高了系统的响应速度;通过增加超调惩罚措施,通过适当的放大或缩小超调,可以使系统超调达到最小;通过与增量型PID、标准二次型单神经元PID算法进行比较,并且进行仿真实验;结果表明:所提方法具有参数自整定能力强且快速响应、鲁棒性强及稳定性好。     

脑源性神经营养因子保护GdCl_3对神经元与星形胶质细胞共培养体系中的毒性作用

星形胶质细胞和神经元之间的相互作用对于神经元的生长及调节过程十分重要.脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)是脑内广泛分布的一类神经营养因子,除神经元分泌外,星形胶质细胞分泌BDNF功能在神经细胞损伤和神经退行性病变过程起重要作用.本实验之前的研究表明,Gd引起的神经元死亡伴随线粒体功能的损伤,如线粒体呼吸链功能障碍,ATP的合成量的减少和线粒体膜电位的降低.同时细胞内ROS水平的升高.抑制细胞氧化应激水平能够降低Gd暴露后神经元的死亡.神经元产生BDNF功能的影响可能和ROS介导的细胞毒性有密切的关系.因此,Gd对神经元分泌BDNF功能的影响可能是其导致神经毒性的又一因素,本实验研究了Gd对单独培养的神经元以及神经元与星形胶质细胞共培养体系的作用.通过测定细胞上清乳酸脱氢酶(LDH)的活性和观察PI阳性染色的细胞数目来分析细胞死亡率.结果表明,单独培养的神经元暴露GdCl3 12h后,细胞上清LDH的活力显著增加(约40%).但是,与星形胶质细胞共培养或者单独培养的星形胶质细胞暴露于GdCl3后并没有LDH的显著增加.BDNF能够降低Gd导致的细胞上清LDH的升高.同时,单独培养的神经元暴露于GdCl3后,PI阳性染色的细胞数目明显增多.与星形胶质细胞共培养或者BDNF的干预均能够降低Gd导致的PI阳性染色数目的增加.因此,Gd引起的神经元死亡和其对细胞产生BDNF功能的影响有关系,星形胶质细胞能够够减轻Gd对神经元的毒性作用.用DCFH-DA标记细胞内ROS,用激光共聚焦显微镜(CLSM)观察不同细胞用GdCl3孵育后细胞内ROS荧光强度.结果提示,用20μM的GdCl3孵育不同细胞12h后,单独培养的神经元细胞内ROS水平显著升高.但是与星形胶质细胞共培养或者BDNF处理的神经元,ROS水平并没有明显的升高.因此,与星形胶质细胞共培养或者BDNF的干预能够降低Gd引起的神经元的死亡.BDNF能够降低Gd诱导的神经元ROS水平的升高以及细胞的死亡.因此,对细胞产生BDNF功能的影响可能是Gd导致神经元细胞毒性的主要因素之一.实验结果显示,GdCl3孵育单独培养的神经元不同时间后,BDNF mRNA和蛋白表达随着GdCl3孵育时间的延长而降低.当GdCl3孵育时间达到12h时,表达量降低了约25%.当GdCl3孵育时间达到24h时,对BDNF表达的影响进一步加强.但与单独培养的神经元相比,当神经元与星形胶质共培养时,20μM的GdCl3孵育细胞并没有引起BDNF表达的明显降低.因此,星形胶质细胞能够通过调节BDNF的表达对神经元的损伤起到保护作用,神经元中BDNF水平的维持可能来源于直接星形胶质细胞分泌的BDNF,或者由外源性BDNF诱导了神经元中BDNF的表达.我们提出了一种可能的分子机制,将有助于理解钆化合物对神经细胞的毒理作用.     

Spiral Wave in Small-World Networks of Hodgkin-Huxley Neurons

The effect of small-world connection and noise on of Hodgkin-Huxley neurons are investigated in detail. Some the formation and transition of spiral wave in the networks 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 neurons to study the noise-induced phase transition on spiral wave in small-world networks of neurons. It is confirmed that Ganssian 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.     

同步辐射显微红外光谱研究6-OHDA诱导帕金森病大鼠海马

利用同步辐射红外显微光谱研究6-hydroxydopamine(6-OHDA)毁损内侧前脑束所致帕金森病大鼠脑海马区神经元的生物化学成分改变。研究样本为6-OHDA诱导的帕金森大鼠模型海马区神经元。与正常大鼠海马区神经元比较,PD大鼠样品在属于脂类的CH2反对称和对称伸缩振动的2 924和2 850cm-1的振动吸收积分面积以及在峰值位于1 736cm-1的伸缩振动吸收积分强度比正常大鼠都有增加,提示PD样品脂质含量升高,而在属于核酸的PO2反对称伸缩振动和对称伸缩振动的强度比正常大鼠样品下降,提示PD样品中核酸的含量比正常样品减少。蛋白质的振动没有发现异常。该研究表明帕金森病大鼠模型海马神经元存在生物化学成分改变,这种改变可能与神经元的病理改变密切相关。     

参数未知神经元模型的全阶与降阶最优同步

基于Lyapunov稳定性理论、最优控制原理以及分步设计方法, 为神经元系统设计了非线性反馈控制器和最优控制器. 其中非线性反馈控制器能使得两个神经元系统之间的轨道误差趋于零, 最优控制器使得在同步过程中所花费的能量达到最低. 本文以Cable模型为例, 实现了两个神经元模型的全阶最优同步; 以Cable 模型和Hindmarsh-Rose (HR)模型为例, 实现了两个神经元模型的降阶最优同步; 同时, 均能有效地辨识出系统参数. 最后通过数值模拟进一步验证了本方案的有效性.     

双色噪声激励下FHN神经元系统的稳态性质

应用统一色噪声理论研究了双色噪声激励下一维FitzHugh-Nagumo (FHN)神经元系统的动力学性质,即稳态概率分布函数和其平均值. 给出了FHN神经元系统的稳态概率密度和平均值的解析表达式. 结果表明: 乘性噪声的自关联时间τ ₁、加性噪声的自关联时间τ ₂、加性噪声强度α 和乘性噪声强度D都能够诱导非平衡相变的产生. α和D的增大有利于系统从激发态向静息态转换. τ₁, τ₂的增大有利于系统从静息态向激发态转换. 噪声强度和其自关联时间的作用完全相反.