抑制性化學突觸調控神經系統時空動力學行為的研究

《抑制性化學突觸調控神經系統時空動力學行為的研究》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：抑制性化學突觸調控神經系統時空動力學行為的研究
• 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

抑制性化學突觸壓抑神經系統活動水平，與興奮性突觸通過競爭合作來調控神經系統的時空行為進而實現系統功能。已有研究對這一傳統觀點提出了挑戰，抑制性突觸在某些條件下會提高神經系統的活動。本項目擬立足於突觸和神經元電活動的不同時間尺度的相互作用會產生更為複雜的動力學為出發點，對快或慢突觸與涉及不同的時間尺度電活動的神經元的相互作用在不同結構的網路誘發的時空行為進行動力學仿真，利用快慢變數分離解釋突觸和神經放電時間尺度的作用，以及網路結構的影響，揭示抑制性突觸提高活動水平的條件；選取抑制性突觸的時間尺度的代表-時滯，研究其變化引起的同步行為的改變，並利用膜片鉗技術在鰲蝦口胃神經節幽門網路進行實驗驗證；進一步研究抑制性突觸調控抑制性和興奮性突觸耦合網路的時空行為的動力學特徵。研究結果將進一步夯實抑制性突觸可以增強神經系統活動的觀點，提供新的不同於傳統的調控系統時空行為和功能的控制措施，具有重要意義。

結題摘要

通過數學模型數值計算、理論分析結合實驗及數據分析，本項目進行了以下工作：首先，揭示了抑制性突觸調控神經元網路的複雜動力學。發現了抑制性突觸活動增強誘發螺旋波的破碎，能夠解釋實驗發現的視皮層的螺旋波在抑制性作用較弱的條件下更容易產生，有助於理解螺旋波與癲癇(強興奮性)的對應關係；發現了同相同步以及隨時滯變化的反相與同相同步間的轉遷，這是不同於傳統觀念抑制性突觸誘發反相同步的新現象，有助於認識龍蝦實驗發現的抑制性突觸誘發的同相同步；進一步，利用耦合電流激勵的單神經元的複雜動力學對空間行為進行了理論解釋；其間進而發現了抑制性作用特別是慢抑制性作用不是誘發放電降低而是誘發放電增加的反常現象及條件，並利用閾值、相位回響曲線和分岔對反常峰和簇放電現象進行了解釋，有助於理解實驗發現的抑制性作用誘發聽覺神經放電頻率增加。這些反常現象和機制豐富了非線性動力學的內涵，具有重要的生物學意義。其次，基於抑制性突觸能誘發反常行為，拓展研究發現興奮性突觸也能引起放電降低的反常現象和條件，並利用分岔給出了解釋，從理論上全面和深入認識了興奮性突觸的作用，拓展了非線性動力學的內涵。最後，對腦網路的複雜時空動力學進行了研究。利用機器學習方法對正常人群的腦區的線性特徵(Bold信號的相關係數)和非線性特徵(Bold信號的樣本熵)進行聚類分類，獲得了6個腦功能網路，與基於生物學功能的腦網路分類結果的符合度和準確性都較高，並且基於非線性特徵的結果更高，說明非線性特徵有助於揭示腦網路功能，提示非線性特徵可能是腦網路演化的本質特徵。獲得了腦網路的非線性特徵樣本熵與精神疾病的關係：在多個腦區包括視覺區精神分裂症患者的樣本熵高於正常人；在樣本熵有顯著差異的腦區，樣本熵和精神分裂症的嚴重程度正相關;正常人的樣本熵與年齡具有負相關關係而對精神分裂症患者而言這一關係被破壞。研究結果有助於認識精神疾病的特徵和服務於精神疾病的診治。