生物记忆与定位导航的神经动力学研究

Memory and navigation are important activities of the brain. Hippocampus and entorhinal cortex are the key structures to memory and goal navigation. Most studies on the hippocampus are the physiological experiments. In the experiments, some nonlinear phenomena such as synchronization, bifurcation, chaos and stochastic resonance may appear in the neural systems while realizing the memory and goal navigation. It is necessary to employ nonlinear dynamic theory to discuss the mechanisms of these phenomenas. This project mainly seeks to study the hippocampal and cortex systems from the perspective of nonlinear dynamics and network and to discuss the nonlinear dynamics mechanism of the memory and goal navigation. Firstly, synaptic learning model should be founded. With neurons as nodes and synaptic connections as coupling edge, network modeling of the hippocampal neural system is made. Secondly, the relationship between the learning and memory in the hippocampus and the phenomena such as synchronization, bifurcation, chaos and stochastic resonance has been checked. Then the neurological mechanism of memeory produced in the hippocampal systems is discussed from a theoretical point of view. Finally, the working principles of the locating and goal navigation related to memory are revealed from the view of the mathematical model. From the theoretical perspective, the project helps to verify the statistical results in the experiments and meanwhile the new problems and phenomena found in this project can provide the new study direction for the further experiments. These results about locating and navigation even provide theoretical support for robot cruise algorithm design.

记忆和定位导航是大脑重要的功能，海马和内嗅皮层组织是记忆和导航的关键组织。关于海马的研究以往主要侧重于生理实验，在实验过程中发现海马神经系统在实现记忆与定位导航功能时，会出现一些非线性现象，如同步，分岔，混沌,，随机共振等，所以迫切需要非线性动力学方法研究现象产生的机制。本项目主要是尝试从非线性动力学与网络的角度来研究海马和皮层系统，讨论记忆和导航的动力学机制问题，主要包括：首先研究构造突触学习模型，以神经元为节点，突触连接为耦合边，对海马神经系统进行网络建模；其次探讨同步，分岔，混沌，随机共振等现象与学习记忆是否存在关系；再次从模型理论角度阐述海马系统产生记忆的神经机制；最后尝试解释与记忆相关的生物定位与导航的神经机制。本项目研究可以从理论上验证实验结果，发现新问题和新现象为下一步的生理实验设计提供新的方向，大脑的定位与导航机制可为机器人巡航算法提供支持。

记忆和定位导航是大脑重要的功能，海马和内嗅皮层组织是记忆和导航的关键组织。关于海马的研究以往主要侧重于生理实验，在实验过程中发现海马神经系统在实现记忆与定位导航功能时，会出现一些非线性现象，如同步，分岔，混沌,，随机共振等，所以迫切需要非线性动力学方法研究现象产生的机制。本研究主要是从非线性动力学与网络的角度来研究海马和皮层系统，讨论记忆和导航的动力学机制问题。目标定位和导航是大脑的一个基本功能，海马中有种功能性细胞叫做位置细胞，它们会在某些特定的位置出现高频放电。另一类与定位导航任务非常相关的细胞称为网格细胞，与位置细胞不同的是，它们在一个六边形网格分布位置出现高频的放电。本项目研究发展了两个模型，这两个模型较好地刻画了位置细胞与网格细胞的特性,仿真结果刻画出位置野的形状和分布较好符合实验结果。以往很多生理学实验研究了这两类神经元的发放特性，但是较少讨论它们之间互相的作用机制，本项目研究建立了一个综合模型，通过学习，模型模拟结果再现了大鼠觅食实验，通过环境学习进行定位和导航任务成功完成。同时，我们建立了一个连续动力系统去刻画学习和方向选择过程；讨论了一些对定位精确性有影响的因素；研究结果表明觅食路线在多次学习后达到一个稳定状态。信息编码在神经科学里是一个重要问题，一个基本问题就是外界信息如何去编码和记忆。我们用一个基于HH模型的神经网络研究了海马可能的存储和记忆机制，模拟结果表明记忆同步状态依赖于网络的连接模式，模型对于不同的输入模式具有较好的储存和记忆能力。在网络建模中。我们提出了一种基于社交网络交友机制的网络生长模型，该网络不但拥有神经网络具有的小世界特性，还具有较好地可调无标度性和高聚类系数，它兼具WS，NS网络与BA网络的优点。我们还从理论上分析了该网络模型的平均路长，聚类系数，无标度系数。