癫痫疾病表征的动力学行为转迁机理及控制

Mechanisms of epileptic prevention, seizure and clinical treatment are key scientific problems at home and abroad. Clinical medicine and experiments have shown that electrophysiological activities on the epilepsy can exhibit the evolutions of complex dynamical behaviors and their transitions. Based on electrophysiological data and fundamental theory of dynamics modelling, we deeply explore connection characteristics of the functional regions of neuronal systems of the epileptic seizures and the corresponding electrophysiological activities to construct reasonable physiological dynamical model. Expectedly, we will give the inner relation between the dynamics model and representation behaviors of the epileptic seizures. In addition, based on the constructed network model, we will explore mechanisms of the evolutions of dynamical behaviors and their transitions of the initiation, propagation and termination of different kinds of epileptic seizures. Also, the mechanisms of different physiological parameters on representation behaviors of the epileptic seizures will be disclosed. We will investigate control mechanism of deep brain stimulation on epileptic behaviors and give reasonable control physiological parameters. In addition, we construct neuronal networks with oxygen concentration to study the effects of the oxygen concentration on control mechanism of the epileptic seizures. Finally, we will design the feasible control method to regulate dynamics behaviors of the epileptic seizures so as to realize the healthy neuronal firings. We hope that obtained results will provide reliable theoretical guidance for the better understanding mechanism of the epileptic seizures and clinical diagnosis.

癫痫疾病的预防、发作和临床治疗的病理机制是国内外相关领域研究的关键性科学问题。临床和实验分析表明癫痫疾病的电生理活动能呈现复杂的动力学行为演化及其转迁过程。本项目拟基于电生理数据和动力学建模的基本理论，深入剖析癫痫疾病神经系统功能区的连接特征及对应神经系统的电生理活动行为，建立具有生理意义的癫痫疾病动力学模型，确定动力学模型与癫痫动态表征动力学行为的内在联系。根据构建的癫痫动力学模型分析癫痫病态发作模式、传播及其终止的动力学演化和转迁机制，揭示不同生理参数对癫痫疾病表征的动力学行为的影响机制。探索深脑刺激对癫痫疾病动力学行为的调控机理，给出合理的调控生理参数。建立具有氧离子浓度的神经网络动力学模型，研究氧离子浓度对癫痫疾病控制的本质机理。设计合理有效的控制方法，调控癫痫病动力学行为以实现生理健康的电活动状态。研究成果为进一步深入理解癫痫病的机理和临床诊断提供可靠的理论指导。

癫痫是一种慢性神经系统疾病，其被广泛地理解为大脑系统的动力学机制异常的结果。针对癫痫典型的神经电活动和生物神经系统的解剖特性，我们主要从对癫痫病态发作关联的动力学模型的改进、不同参数状态下癫痫网络模型的动力学转迁行为及机制和癫痫的有效调控等方面开展了相关的研究工作，取得的主要成果可以概括为：1.基于DG-CA3网络模型研究外加电刺激对同步性HFOs转迁的影响，并通过抑制性连接将DG-CA3网络模型拓展为3-节点网络模型，探究海马体网络内部连接机制对癫痫转迁的影响；探索在细胞外BDNF浓度的受体与神经噪声的综合作用下颞叶癫痫转迁的动力学机制；2.提出了具有时滞的皮质-丘脑环路计算模型，分析不同时滞下癫痫自发发作及同步转迁现象，给出关于耦合时滞的非线性自适应控制方案；分析了丘脑网状核活化水平和GABAB受体的慢动力学等因素诱导失神发作的动力学机制；3.提出具有闭环反馈调节功能的简化皮层-丘脑环路平均场模型，比较不同刺激方案对失神癫痫的抑制作用，研究表明了多靶点和交替神经刺激在控制癫痫发作中的有效性；4.建立了皮质层次的慢变量驱动的双耦合癫痫振子模型，分析局灶性癫痫的多种发作模式的动力学机制。建立了局灶性癫痫皮质的网络模型，探讨网络内在的耦合机制和网络连接机制对癫痫转迁的影响。最后，基于网络动力学特征提出“部分”刺激策略，并证实其在抑制癫痫发作方面的高效性；5.基于临床立体脑电数据，利用交叉递归图揭示不同区域的动力学特性和不同状态下区域间的同步。研究表明致痫区相轨迹表现出更强的确定性和递归性，致痫区内部在癫痫转迁过程中同步性率先增强，并招募正常神经元集群形成网络混乱。这些研究成果将有助于进一步理解癫痫疾病的动力学行为及其发病机制，为癫痫的控制和治疗方案提供理论依据和指导。.按照项目计划书，全面完成了本项目研究计划的目标和内容。发表学术刊物论文23篇；获得中国力学学会颁发自然科技奖二等奖；已出站博士后2名，毕业博士研究生5名，硕士5名。