視皮層神經元網路時空行為的動力學機制研究

《視皮層神經元網路時空行為的動力學機制研究》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：視皮層神經元網路時空行為的動力學機制研究
• 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

生物學實驗發現,外界視覺刺激下的大腦視皮層能產生同步振盪；近期則發現在阻斷抑制性中間神經元和阻斷神經元的M型鉀電流時更易產生螺旋波；而有實驗提示改變M型鉀電流可以引起神經元電活動的分岔類型的改變。本項目擬通過模型理論仿真結合生物學實驗來闡釋視皮層網路時空行為的動力學機制。實驗選用視皮層腦片，通過膜片鉗技術確認改變M型鉀電流確實可以引起的錐體神經元分岔類型的轉遷；通過電壓敏感染料來記錄抑制性中間神經元被阻斷前後、改變M型鉀電流前後、通過刺激器施加外界刺激前後腦片的時空行為。依據生物學實際搭建網路模型，研究錐體神經元的分岔類型、抑制性中間神經元、外界刺激和隨機因素對網路時空行為的影響。綜合實驗和理論模型結果，分析單元振子特性以及調控因素對螺旋波和時空行為的同步程度的影響，統一認識螺旋波和同步振盪等時空行為。該結果有助於促進對視皮層的時空行為和生理功能以及網路時空動力學的深入研究。

結題摘要

通過理論模型結合實驗，揭示了視皮層網路的時空模式轉遷以及對網路內單神經元動力學行為、神經元類型、突觸類型和網路結構的依賴，內容包括：增加神經元網路內I型神經元的比例，時空模式發生轉遷，出現去同步化並最終產生螺旋波；降低網路內抑制神經元的比例，神經元網路時空模式發生轉遷，出現去同步過程，並最終出現螺旋波；稀疏化網路結構會不利於螺旋波的生成；進一步，利用快慢變數分離“解剖”單神經元的動力學特點，揭示了在不同相位具有不同的動力學回響；利用這一動力學回響，結合耦合電流的時變特徵，從理論上解釋多類複雜的時空動力學行為的產生機制，包括同步和去同步行為；也為利用單元動力學解釋網路複雜時空動力學行為提供了科研示例和具體的方法和流程；利用視皮層切片進行實驗，通過施加藥物影響M電流改變神經元從II型變為I型、阻斷抑制性中間神經元驗證了理論模型的時空模式轉遷和螺旋波的結果。通過新的數據分析手段，獲得了精神分裂症的包括視皮層在內的腦網路的樣本熵等非線性動力學特徵的變化。綜合理論和實驗模型結果，認識單元振子特性、不同類單元的協同以及網路結構等對螺旋波和同步行為的影響，統一認識了螺旋波和同步振盪是時空行為轉遷過程的不同模式。研究結果有助於認識視皮層的時空行為轉遷特別是螺旋波的生成，對於調控螺旋波及其對應的疾病癲癇和認識精神分裂症有重要的理論指導意義。