外电场下神经元的分岔研究

论文摘要

神经元是神经系统的基本结构和功能单元,在神经信息处理过程中起着关键的作用。本文研究外电场对神经元系统的作用规律,为从更宏观的尺度研究外电场对神经系统各种功能的影响提供借鉴。首先,在分析外电场下细胞膜电生理特性的基础上,建立了外电场作用下的神经元模型。然后,利用分岔理论,得到了直流电场下Hodgkin-Huxley（HH）模型和Morris-Lecar（ML）模型的详细分岔结构;给出了存在多稳态现象的参数区域,并揭示了其产生的分岔机制。研究了不同幅值和频率的交流电场下HH神经元的动态行为,利用Poincare截面、ISI和平均放电率等方法,发现了包括无混沌加周期和锁相—混沌（或拟周期）交替等放电序列及其动态转迁过程;得到了幅频参数空间的Anorld图,揭示了放电模式对刺激输入的编码机制。通过对外电场下ML神经元的分岔分析,发现了四种不同的兴奋和放电特性,各种放电之间只需要改变一个外电场参数即可实现相互转换。建立了三种基于ML模型的簇放电最小模型,给出了调节模型参数改变簇放电特性的一般规律。鉴于神经元同步行为的重要作用,本文应用相位降维方法,研究了外电场下两神经元（峰放电神经元或簇放电神经元）电突触耦合和化学突触耦合下的同步特性。得到了刺激电流、电场、耦合性质及耦合强度对系统同步特性的影响规律。时滞是神经系统信号传输所不可避免的,研究发现不同的时滞具有加强同步或去同步的作用,并能够造成多稳态同步现象。以上研究结果有助于揭示和解释电磁致病的机理,为一些神经系统及脑疾病的预防和治疗提供了理论支持,也可为电磁环保标准的制定和电刺激疗法在临床医学的应用提供一定的理论指导。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 神经科学方兴未艾
• 1.2.2 脑中的分岔和同步
• 1.2.3 外电场对神经活动的影响
• 1.3 研究思路
• 1.4 主要贡献
• 1.5 内容安排
• 第二章 文献综述
• 2.1 神经科学的发展与研究现状
• 2.1.1 神经元与神经元模型
• 2.1.2 神经元网络
• 2.2 非线性动力学在神经科学中的应用
• 2.2.1 分岔
• 2.2.2 同步
• 2.3 外电场对肌体的作用
• 2.4 本章小结
• 第三章 Hodgkin-Huxley 神经元分岔分析
• 3.1 引言
• 3.2 外电场下的神经元模型
• 3.2.1 Hodgkin-Huxley 模型
• 3.2.2 外电场作用下的神经元模型
• 3.3 直流外电场下Hodgkin-Huxley 模型的分岔分析
• 3.3.1 分岔类型
• 3.3.2 双参数分岔
• 3.3.3 单参数分岔
• 3.4 交流外电场下HH 神经元动力学分岔分析
• 3.4.1 单参数分岔
• 3.4.2 双参数分岔
• 3.5 本章小结
• 第四章 Morris-Lecar 神经元分岔分析
• 4.1 引言
• 4.2 Morris-Lecar 模型
• 4.2.1 Morris-Lecar 模型
• 4.2.2 外电场作用下的Morris-Lecar 模型
• 4.3 分岔分析
• 4.3.1 零值线
• 4.3.2 ML 模型的分岔结果与分析
• 4.4 簇放电模型
• 4.4.1 快慢系统与最小模型
• 4.4.2 簇放电产生机制
• 4.4.3 簇放电模型动态分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 耦合神经元动态分析
• 5.1 引言
• 5.2 相响应曲线
• 5.3 峰放电神经元耦合
• 5.3.1 电突触耦合
• 5.3.2 化学突触耦合
• 5.3.3 时滞作用
• 5.4 簇放电神经元耦合
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文与参加科研情况说明
• 论文
• 期刊论文
• 会议论文
• 科研项目
• 获奖
• 致谢