基於生物學實驗的神經起步點的動力學建模

《基於生物學實驗的神經起步點的動力學建模》是依託同濟大學，由古華光擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於生物學實驗的神經起步點的動力學建模
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：古華光
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

揭示神經放電節律模式和模式轉遷的動力學機制，對於深刻理解神經元信息編碼的基本規律具有重要意義。本研究擬利用神經元的生物物理模型-實驗性神經起步點，實驗觀察放電節律模式和放電節律模式隨生理參數變化的轉遷規律；結合實驗結果，分析已有神經元數學模型的局限和不足之處；並基於神經放電節律模式分岔序列結構的電生理、離子通道存在性和電流電壓關係的實驗結果，依據離子通道自身特性擬合離子通道開關動力學形式，建立實驗性神經起步點的動力學模型-常微分方程模型，依據實驗和數學模型的放電節律模式和分岔結構的結果相一致的原則，優選模型參數，篩選出能逼真再現實驗現象的數學模型。對數學模型進行數值仿真和定性分析，獲得對神經放電複雜節律及其分岔結構的動力學機制的理論認識。該研究工作以產生豐富放電節律及其轉遷歷程的神經起步點為生物學現實對象，建立其數學模型，並推廣地認識神經元複雜放電活動的分岔結構和動力學機理。

結題摘要

通過生物學實驗，改變多種單個離子通道相關參數，或聯合調節兩個生理參數組合，獲得了神經放電節律模式在單、雙參數空間的全局分岔序列結構；在該結構的多個局部空間發現了新的動力學現象，包括一類新的混沌、一個梳子狀混沌區域、具有“奇異”費根鮑姆常數的倍周期分岔、新的貌似混沌的隨機節律和新的加周期分岔。依據該全局分岔序列結構，考慮結構內的關鍵局部分岔和行為，選取了鈉、鉀和鈣離子通道，並依據這些離子通道的動力學特性，建立了描述神經放電的數學模型。模型不僅可以定性仿真放電節律的全局分岔序列結構，還在放電定量方面和仿真複雜節律方面有進一步改善。依據實驗和數學模型的結果，識別了多個新的神經放電活動的動力學現象及其機制：包括雙參數空間的梳子狀混沌，具有“奇異”費根鮑姆常數的倍周期分岔的非光滑機制，識別了獨立於梳子狀混沌的新混沌，識別了隨機因素通過相干共振作用於I型興奮和鞍結分岔機制引起的新的隨機節律，以及位於新的加周期分岔序列內的非周期節律的隨機性和非混沌機制。該研究結果對於依據分岔序列結構研究神經信息編碼和認識生物網路的時空行為有重要參考意義。基於此，初步研究了生物網路的螺旋波和同步等時空行為，發現了多重空間相干共振，研究結果可以用於解釋生物實驗中發現的神經系統產生的螺旋波，為數學模型的推廣利用進行了初步嘗試和奠定了基礎。