《基於複雜網路的生物節律模型探索》是依託華東師範大學，由劉宗華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於複雜網路的生物節律模型探索
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉宗華
- 依託單位：華東師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
哺乳動物的生物鐘位於下丘腦的視交叉上核(SCN)，由左右兩部分構成，按照功能每部分又由VL（ventrolateral腹外側）及DM（dorsomedial背內側）組成。本項目將建立VL與DM中耦合振子的複雜網路模型，以便展示SCN在無光照下的20至28小時節律效應及有光照時的24小時節律的機制。然後以此模型為視窗探索複雜網路領域的熱點與重要問題之一：基本結構（motif）和拓撲結構與功能間的關係。著重研究SCN的集體行為對振子本身的特徵及其相互間耦合方式的依賴性，揭示對不同度的節點施加外部驅動信號時信號的傳播方式及各振子的頻率跟隨外部驅動頻率的相同步化過程，討論時間延遲對SCN振子的集體行為的影響及部分振子的病死對網路功能的魯棒性。預期本項目的研究結果將對SCN中振子網路的結構與功能間的關係提供深刻和創新的科學理解並有助於理解其他非哺乳動物的節律效應。
結題摘要
本項目以哺乳動物的生物節律為出發點，探索複雜網路領域的熱點與重要問題之一：拓撲結構與功能間的關係。生物鐘位於下丘腦的視交叉上核，由左右兩部分構成，按照功能每部分又由VL（腹外側）及DM（背內側）組成。本項目的研究先建立了VL與DM耦合振子的複雜網路模型，然後以此作為突破視窗研究了信息在生物系統特別是大腦中的傳輸。主要工作由以下三部分構成： （1）生物節律SCN振子網路模型的建立及生物現象的機制解釋：我們首先研究了部分動物如袋鼠等的節律分離現象的動力學機制，並為此提出了相應的非線性動力學模型，較好地解釋了實驗方面的發現。然後我們研究了SCN振子對外部光照信號的傳輸，我們首次發現接受光照的振子數占總SCN振子的比例p是一個關鍵參數。當此參數超過臨界值時可實現信號從VL到DM的傳輸，否則信號不能傳到DM。我們發現外部信號周期低於與高於24小時對DM振子有不同的影響：低於2４小時，DM振子隨參數p的變化是一種連續變化；而高於24小時，DM振子隨參數p的變化會出現跳變或一級相變。這是一個新的發現，我們給出了理論解釋，但期待實驗的驗證。 （2）複雜網路上的信號放大：我們對複雜網路上的信號放大做了系統的研究。首先研究了耦合神經元系統在外部無序信號下的關聯行為,發現不但耦合強度可以導致信號檢測能力的增強,而且信號的無序也有利於信號的檢測,即存在一種對耦合強度與信號的無序強度都敏感的雙隨機共振現象。然後我們系統研究了複雜網路局部的信號放大途徑，單個耦合神經元系統在外部無序信號下所導致的共振行為，加權網路上信號放大的實現，帶有相移的主動旋轉子系統上的信號放大，以及設計了一個通過前反饋網路實現對弱信號的放大等。 （3）聽力探測與大腦上的信號傳輸：我們首先構建了一個一維鏈耦合振子模型對聽力機制給出了比較完滿的解釋，這個研究結果為臨床醫學提供了兩個方向來增加老年人的聽力：增加髮絲細胞間的耦合或降低耳聲發射來保持他們之間的平衡。然後我們提出一個有組織的分層信號檢測與傳輸模型，其網路上的外圍神經細胞負責探測信號，然後通過鎖頻將信號逐級傳輸到中樞神經，其結果是中樞神經元可以與所有外圍細胞探測的頻率範圍進行鎖頻，從而實現對各種頻率的辨認，從而解釋了大腦的層狀結構的合理性。
