摘要:本文着重介绍了神经动力学理论在脑科学领域中的地位与作用,它的现状和我国的原始创新,存在的问题以及它的历史使命.强调了力学在神经科学与生命科学中的内在联系、重要性和它的影响力,特别指出了脑科学领域中的原始创新离不开力学的作用、导向与贡献.本文还重点概述了这期专刊的主要研究成果,这些研究成果的作者分别从不同的视角阐述了他们是如何应用神经动力学理论来揭示神经系统中的一些独特的、在实验中不可能被发现的某些新的现象和规律,以及在探索退行性神经疾病和认知障碍方面所表现出来的独特威力.

摘要:本文回顾力学研究体系的发展,简要介绍神经动力学的主要内容及其作用,探讨神经动力学与力学的密切关系,并提出一些研究展望.

摘要:利用生物物理平均场模型,通过在皮层引入慢抑制性中间神经元集群,发现抑制性受体GABAa和GABAb在通路抑制性中间神经元集群(IIN)兴奋性锥体神经元集群(EPN)中均参与了失神发作的调控.特别地,棘慢波放电(SWDs)的出现与一个尺度因子K有关,其被定义为受体GABAa和GABAb的相对强度;由于GABAb受体的慢动力学也是一个致痫因子,因此通过尺度因子K和GABAb时滞τ2的状态分析,发现它们可以共同诱导失神发作.这些结果对GABA受体如何诱导失神发作提供了理论指导,并可能为这种脑部疾病的治疗提供新的见解.

摘要:胰腺β细胞在分泌胰岛素时会伴随生物放电活动.描述胰腺β细胞放电行为的数学模型有很多,为了理论分析的方便,本文采用具有代表性的三维多项式模型,对两个电耦合胰腺β细胞的同步行为进行了研究.通过构造恰当的李雅普诺夫函数,利用线性矩阵不等式、求解微分不等式获得了模型相应的全局渐近同步和全局指数同步的理论判据,并借助MATLAB进行数值模拟,进一步验证了理论结果的正确.

摘要:神经元膜电位的放电活动是神经编码的基础.然而,目前对于神经元电活动对神经信息的编码方式,至今尚未形成一个完整的认识.传统的编码理论认为神经系统以离散的动作电位放电序列进行信息的表达和传递,主要研究动作电位的发放频率和放电活动的时间模式.基于该理论,研究以神经元的膜电位为研究对象,展示了如何量化膜电位序列所携带的信息,并将该计算结果与传统放电序列方法的计算结果进行了对比分析,其结果取得了很好的一致性.对神经元放电序列所携带的信息已经出现了一些定量的计算方法,但这些方法还很难应用到大规模神经元网络的计算当中.本本研究为神经活动信息量的定量计算提供了一种新的思路和方法.

摘要:本文研究具有忆阻的两耦合HindmarshRose神经元系统,考虑了神经元间信号传输过程中的时滞效应.借助平衡点的稳定性分析,获得与时滞相关的稳定条件.通过数值算例验证理论结果,揭示各类丰富而有趣的动力学现象,如多种簇放电行为等.搭建相应的耦合神经元电路实验平台,取得与理论分析和数值计算相吻合的结果.研究结果表明,时滞是影响系统稳定性和放电模式的重要因素.

摘要:本文系统地研究了外加电磁刺激对FitzHughNagumo (FHN)神经元系统动力学行为的调控作用.首先,在强非线性电磁感应的作用下,FHN神经元对外加电磁刺激的响应呈现显著的非线性变化特点,不仅能够产生混沌的放电现象,而且还出现了不同放电模式之间的转迁.其次,在电磁感应的作用下,周期振荡的电磁刺激对NewmanWatts小世界的神经元网络的脉冲放电频率和同步性都能够进行有效地调控,不仅提高了神经元网络对局部弱激励信号的探测和响应能力,而且能有效地控制网络时空斑图从相位同步到完全同步的演化.本文的研究揭示了电磁刺激对单个神经元和神经元网络系统动力学行为的显著调控能力,有待为生理上应用电磁刺激辅助治疗精神疾病提供理论指导.

摘要:细胞外空间钾离子的大量积累会导致星形胶质细胞膜去极化,星形胶质细胞膜电位变化引起的电压门控钙离子通道(VGCCs)电流内流会增加星形胶质细胞内钙离子浓度的振荡幅值,从而增强星形胶质细胞对神经元的正反馈作用.考虑星形胶质细胞VGCCs的钙离子内流,本文构建了一种包含多种离子浓度动力学行为的神经元-胶质细胞耦合模型.数值模拟结果发现,VGCCs的钙离子内流是影响星形胶质细胞内Ca2+浓度升高的一个主要因素;VGCCs电流增强会诱发神经元产生自发性癫痫放电活动实验现象的内在机理.本文研究结果可以为星形胶质细胞钙离子代谢紊乱诱发神经系统自发性癫痫放电提供一种解释.

摘要:生物神经网络的同步被认为在大脑神经信息的处理过程中发挥了重要作用.本文以树突整合型(DHH)神经元网络为研究对象,在网络中考虑脉冲时间依赖可塑性(STDP)学习律,分析网络连接概率、外部扰动以及STDP学习律对网络同步性的影响.研究结果表明,STDP学习律对网络同步的影响不仅与连接概率有关,也与外部扰动有关.在兴奋性神经元网络中,连接概率增大可以增强网络的同步,外部扰动增大会减弱网络的同步,且在较大的外部扰动下STDP学习律对网络同步特性的增强作用减弱；而在抑制性DHH神经元网络中,连接概率增大,也可以增强网络的同步,且在较大的连接概率下,外部扰动增大,可以增强网络的同步,而STDP学习律对网络同步的增强作用也更加明显.

摘要:本文建立了一个基于HodgkinHuxley神经元的前馈神经元网络模型,研究了平均放电频率在前馈神经元网络中的传递情况.研究结果显示,适当的层间连接概率与输入噪声强度能够提高前馈神经元网络的同步效率,进而增强网络稳定传递放电频率的性能.此外,通过引入并调节突触时滞,发现适当的时滞对神经元耦合系统的完全同步和前馈神经元网络内信息传输有明显的促进作用.

摘要:本文以前包钦格复合体中两个耦合神经元为研究对象,并考虑钙离子动力学的神经元动力学模型.利用相平面分析、分岔分析和快慢动力学分析等方法,研究钙离子动力学和控制钙激活的非特异性阳离子电流的电导对前包钦格复合体的放电模式的影响,并从动力学的角度解释了其放电活动产生及其转迁的机制.结果表明钙离子的周期性波动和非特异性阳离子电流都会影响簇放电的类型,钙离子的周期性波动是产生复杂簇放电的关键因素.

摘要:探究大脑基底神经节中丘脑底核和苍白球神经核团振荡动力学的起源对理解帕金森病的发病机理起到重要作用.本文建立了较为完整的关于帕金森病的神经网络模型,该模型含有兴奋和抑制神经元的大脑皮质、由纹状体、丘脑底核、苍白球内侧和外侧构成的基底神经节以及丘脑.首先,通过对模型进行数值模拟,所得的动力学结果与丘脑底核和苍白球振荡相关的生物实验结果一致.其次,探讨了与丘脑底核和苍白球神经核团相关的突触连接强度对他们振荡动力学的影响.我们的结果显示,丘脑底核同时受到纹状体较强的促进作用和苍白球外侧较弱的抑制作用时它的振荡消失.而当苍白球同时受到丘脑底核较强的促进作用和纹状体对它的抑制作用时,苍白球的振荡增强.希望本文的研究结果对帕金森病的治疗有一定的指导作用.

摘要:本文主要研究边界条件下FN(FizhughNagumo)模型的神经定位动力学行为,首先针对带有扩散的FN模型进行了理论研究;然后通过离散拉普拉斯算子的方法,得到了FN模型带有边界的常微分方程;接着分析了边界条件对系统斑图形态的具体影响,对混合边界不同参数取值进行了研究,得到了混合边界值和矩阵谱倒数的关系;最后通过数值模拟的方法验证了已有实验结果,解释了上述系统的斑图机制,给出了斑图形态的调控方法.

摘要:在临床医学中,确定疼痛如何从急性转变为慢性是有效预防和治疗的关键.因此目前迫切需要一种定量和预测的方法来评估疼痛的分类,从而能够更好地干预治疗.本文采用计算机建模的方法,利用下丘脑垂体肾上腺轴(HPA)模型来模仿疼痛轨迹,我们根据cortisol的取值,把它分为高低两个状态,cortisol取值高的状态用来模拟高强度的疼痛,取值低的状态用来模拟轻微疼痛或者没有痛苦.通过对其模拟数据进行研究,分析了急性慢性疼痛的转变.其仿真结果说明,神经计算科学在评估病人模型方面具有可行性和很大的潜力.

摘要:嗅觉系统是生物感觉神经系统中非常重要的组成部分.当嗅觉感受器接收到气味刺激时,其将化学信号转换为电信号并传递给嗅球,嗅球对信息进行整合与编码,继而将其传递到大脑嗅皮层,最终产生嗅觉.对于嗅觉神经网络的建模以及嗅觉信息处理的研究有助于理解嗅觉系统是如何有效区分不同种类与浓度的气味.本文在由僧帽细胞、颗粒细胞以及球旁细胞所构成的传统嗅球模型基础上,引入了嗅皮层来构建完整的嗅觉网络模型,并考虑了抑制性突触可塑性在网络接受刺激时的学习作用.其仿真结果表明抑制性突触可塑性可以平衡嗅皮层中兴奋性和抑制性的突触电流,从而使得嗅皮层对于气味刺激表现为特定的发放模式.嗅皮层对于不同种类的气味刺激表现为不同的发放模式,而对于同一种类不同浓度的气味刺激表现为相似的发放模式与不同程度的发放强度.同时提出了基于核方法的层次聚类和模糊聚类算法来实现对不同种类纯气味的识别和对混合气味中各种气味成分的识别.

摘要:流行病动力学研究可为新型冠状病毒肺炎疫情的控制决策提供科学依据，本文简介了经典SIR模型及基本再生数.