计算神经科学,也称为理论神经科学,是从神经系统结构的信息处理特性角度来研究脑功能,其重点研究真实神经元和神经系统的生物物理模型以及它们的生理学和动力学行为.因此,构建可以抓住生物系统本质特征的回路模型对理解神经系统的功能起着关键作用.本论文主要研究与基底核相关的神经元和神经回路,对多巴胺神经元的单房室模型、中等多棘神经元的多房室模型和皮层-基底核-丘脑回路进行了动力学分析和仿真模拟.本论文的主要工作如下:第一章主要介绍Hodgkin-Huxley模型与Rall电缆模型的理论基础,并给出树突的生物物理机制.Hodgkin-Huxley模型是基于大量实验提出的,利用数学方法刻画神经元的动作电位如何发起和传播的经典模型.Rall模型是描述树突树内的电流是如何传播的经典范例.首先给出这两个模型的详细推导过程,然后简单介绍了房室模型和树突检测机制,最后提出本文研究的主要内容.第二章研究高维神经元模型的降维及其降维后模型的动力学性质.首先利用变量的相关性对原始的十三维模型分两步进行降维并得到一个三维简化系统.然后通过同时改变两个参数来讨论单个簇内锋数目的变化规律.最后分析三维系统的余维2分支,并给出Bogdanov-Takens分支附近的分支行为.第三章研究中等多棘神经元的多房室模型,主要分析外源因素与内源因素对中等多棘神经元放电节律的影响.首先建立基于生物解剖的中等多棘神经元多房室模型,通过对比中等多棘神经元对直流、交流和方波三种电流刺激模式的响应,得到丰富的发放模式,特别研究了外界交流刺激的变化对中等多棘神经元放电节律的影响.其次,通过改变不同离子(钠、钾和钙)通道的最大电导系数或通透性来分析其对中等多棘神经元活动特性的影响.最后,通过移除部分树突的方法模拟部分树突死亡与退化对中等多棘神经元的影响,在相同的外界刺激条件下,通过对比得出五种缺失情况与完整神经元胞体放电的差异.研究结果表明,所有的内源与外源因素对于中等多棘神经元的放电节律均有重要影响,且首次模拟分析树突结构对胞体放电的检测作用.第四章研究皮层-基底核-丘脑回路的动力学机制.第一部分简单介绍基底核的构造、回路连接以及脑深部电刺激.第二部分模拟高频电刺激不同的靶点治疗帕金森病.首先根据生物解剖结构,利用基于电导的神经元模型构建了一个皮层-基底核-丘脑回路模型.以三个不同的核区为靶点,模拟并分析在不同的刺激持续时间和周期下三个靶点的刺激疗效的多样性.然后,采用不同的刺激强度作用于这三个靶点,对比分析不同的刺激强度和靶点对帕金森病治疗的影响.为了确定最优靶点,对两个主要通路对丘脑的不同的影响进行计算.结果表明,构建的皮层-基底核-丘脑回路模型是可靠的,并通过该模型证明高频刺激这三个靶点可以改善丘脑的病理节律.同时还证明了直接通路兴奋丘脑,间接通路对丘脑起着调节作用.第三部分主要研究皮层-基底核-丘脑回路中的信号传导机制.基于相同的理论基础构建另一个皮层-基底核-丘脑回路模型并得到回路中各神经元的不同的放电模式.考虑不同的内因和外因作用下对回路中下游神经元的影响.首先通过改变兴奋性突触连接强度得到下游的底丘脑核与苍白球外侧部神经元之间彼此相互促进和抑制,以及丘脑神经元的放电特性.其次改变抑制性突触连接强度得到下游神经元之间信号传导的相关性.然后探讨不同外界刺激作用于底丘脑核时回路中下游神经元的放电特性.作为对比,最后讨论超极化电流刺激苍白球内侧部,传出神经元的放电特性。