脑神经电活动仿真模型的研究

来源 :河北工业大学 | 被引量 : 11次 | 上传用户:a20090907
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神经电的动态仿真属于神经计算科学的范畴。对可兴奋性神经元的同步振荡及其传导以及神经电活动正问题的研究是论文的主要内容。电工理论中的电路和电场计算方法以及自动控制理论中的非线性和复杂性的方法是论文的主要手段。该研究有利于认识神经元耦合形成的复杂动态活动,解释诸如癫痫发作等异常神经活动的机理,因为可兴奋神经元的同步振荡和传导是癫痫发作的重要特征。论文的主要工作分以下三方面: 第一:神经异常振荡的同步。 首先以Chay模型为基础建立了两个神经元电突触耦合模型,研究了不同电突触耦合强度对两个神经元同步振荡的影响;其次,研究了可兴奋神经元组成的二维网络的同步振荡;最后,应用李雅普诺夫指数和相图分析了同步振荡的非线性,应用近似熵分析了同步振荡的复杂性。结果表明:电突触达到一定强度时神经元群才能同步振荡,这种活动是混沌和复杂的;同一网络中异常节律较严重的神经元活动的非线性和复杂性要强于异常节律较轻微的神经元;突触耦合强度较强时的神经元活动的非线性和复杂性要强于其在突触耦合强度较弱时的。 第二:神经异常振荡传导对其它异常振荡和动作电位的影响。 论文建立了从离子通道出发的时域二维偏微分方程,来研究电突触对异常振荡传导特性的影响,模型的解法采用了时域有限差分隐式格式和非线性常微分方程的数值方法,并应用李雅普诺夫指数和相图分析了异常振荡传导中的非线性,近似熵分析其复杂性。 首先,研究了不同电突触耦合强度下,在网络传导中的较严重异常的神经振荡对周围较轻微异常的神经振荡的影响。结果表明:只有电突触耦合达到一定强度时,异常振荡才能传导并引起神经元的同步振荡;传导活动是混沌和复杂的;在突触耦合强度较强时的神经元活动的非线性和复杂性要强于其在突触强度较弱时的。 其次,研究了不同电突触耦合强度下,在网络传导中的较严重异常的神经振荡对周围正常神经元产生的动作电位的影响。结果表明:电突触耦合强度较强时,异常的神经振荡使得周围正常神经元的动作电位发生振荡,动作电位由稳定状态转为混沌状态,复杂性增强,但随着动态过程的进行,发出动作电位的神经元产生新节律的能力有限,新节律的产生主要由异常的神经振荡引起。 第三:以异常神经振荡为偶极子源的脑神经电活动正问题研究。 分别基于二维和三维仿真模型得出了部分异常振荡产生的脑神经电活动的仿真波形,例如,负相尖波、多棘波和双相尖波等,并发现随着神经元的离子通道对胞内Ca2+离子通透性的增强,仿真电位的尖锋幅度减小而尖锋间期加长。
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