神经系统中超兴奋性与同步行为的研究

Epilepsy is a clinical phenomenon of the repeated abnormal discharge or hypersynchronous neuronal activities in the brain system. Researchers in multiple disciplines are concerned with this important research field, especially physicists working on Nonlinear Dynamics. Taking into account that the idiopathic epilepsy is from the abnormalities of the nerve membrane ion-channel proteins induced by gene mutation, this proposal will construct hyperexcitable neuron model based on the molecular biology experimental results and our auxiliary experiments, to study the synchronizations in neuronal networks by combining from the microscopic ion-channel to neuron and to network. Once the hyperexcitable neuron model has been established, including e.g. the switch behavior between the normal spike behavior and the hyperexcitable response, this project will explore the trigger and diffusion of the abnormal spikes, and further insights on the emergence, evolution, and termination of the collective behaviors, e.g. synchronization, oscillation, in neuronal networks become available. By constructing the coupling between multiple neural networks, the correlation analysis of EEG sequences to explore the epileptic seizure and termination.This proposal is significant to correctly understand the correlation between the synchronous abnormal spike behavior and epilepsy in the biological nervous system, as well as in other diseases due to gene mutation in ion channel.It is also important to develop statistical physics and nonlinear theory in the life sciences by studying the neural systems covering several spatiotemporal scales from microscopic ion channel to cerebral cortex.

癫痫是反复发作的大脑神经系统异常放电或超同步放电所致短暂脑功能障碍的慢性综合症,是多个学科关注的重要研究领域，同时也是非线性动力学的重要研究对象。考虑到其中原发性癫痫与基因突变引起的神经元膜离子通道蛋白异常具有直接联系，本项目拟从亚细胞水平的离子通道出发，综合相关离子通道蛋白的分子生物学实验结果，并开展辅助实验，建立超兴奋性神经元的动力学模型，在微观离子通道异常与神经元网络同步的宏观集体行为之间搭建桥梁，研究神经元异常放电状态的触发、扩散以及神经元网络同步、振荡、共振等集体行为的涌现、演变和终止等动力学机制，进而构建多个神经元网络耦合的网络集团，进行脑电序列的关联分析，探讨癫痫的发作、演变和终止的机制。本课题研究对于正确理解生物神经系统的同步放电行为与癫痫产生的机制以及与离子通道病之间的关联具有重要价值，理论上对于统计物理与非线性理论在生命科学中的应用及其自身发展也具有重要意义。

本项目从微观离子通道水平出发，研究神经元超兴奋性发放的数学模型，并延伸到网络尺度上的研究集体行为，并与癫痫的电生理数据对照分析。目前已经完成神经元超兴奋性发放的建模以及网络尺度的集体行为研究，后续与临床数据的结合研究正在开展中。除此之外，还结合当前该领域前沿，开展了神经元自突触特性、弱信号检测、阈值定义等问题的研究。..在单个神经元尺度，通过系统分析基因缺陷导致离子通道异常诱发的超兴奋性发放实验数据，构建了基于Hodgkin-Huxley方程的现象学模型，并进行相应动力学分析以及网络尺度的集体行为研究。系统研究了单个自突触神经元的动力学特性及其对于各类输入信号和外加信号的响应行为，发现自突触的编码调节作用以及锁相等现象。发现单个神经元阈下弱信号检测性能的提高是以提高能量消耗为代价；同样能量消耗，采用较多的较小神经元更容易实现可靠检测。提出具有普适性的神经元态空间临界线跨越的阈值定义，并在多个经典模型得到验证。..在非线性动力学和软物质等方向也开展了工作，内容包括测度同步、软物质体系的相变以及缺陷演变。此外，通过构建肿瘤生长的表型博弈模型，发现细胞间相互作用能够显著影响肿瘤的生长特性，表明需要在单个细胞以上尺度研究肿瘤问题。