多棘神经元的动力学特性和基底神经节的行动选择机制

With the study of human brain project startup, neuroscience and cognitive science has become the focus of human attention. The cross mathematical science to neurocognitive field has become a new direction - neurocognitive computation. The conductance based neuron model and axons cable theory became the basis of neurocognitive computation. And the rich dynamic phenomena, such as Bifurcation recognition, the road to chaos, the effects of multi hole concave boundary, network synchronization and waveform transmit without attenuation, At same time it puts forward a new mathematical problems, such as bifurcation and chaos mechanism in a class of index determined by dynamical system. Multi hole, concave boundary effect on waveform morphology, Mechanism modeling neuromuscular control and the cognitive neural circuit. These new topics induced in neurocognitive, not only open up the new field of mathematical research, but also relates to neurocognitive code, it directly affects the development of cognitive science..This project constructs the physiological model of the basal ganglia circuits, studying the action selection mechanism of the basal ganglia loop in dynamics method. .To explore the dynamic property of spiny neuron and the effect of different stimuli targets in the basal ganglia circuits, determine the influence of different frequency stimulation of the basal ganglia circuits and provides a solid theoretical basis for the treatment of Parkinson's disease.

随着人类脑计划研究的启动，动力学向神经认知领域的交叉渗透成为新的方向-神经认知计算。基于电导的神经元模型和轴突电缆理论成为神经认知计算的基础，产生了丰富的动力学现象，如分岔识别，混沌道路，内凹多洞边界影响，网络同步振荡和波形不衰减传递等。同样提出了新的动力学问题，如动力系统确定的一类指标的分岔混沌机制，内凹多洞边界对波形形态的影响，神经肌肉控制机制建模和神经回路认知等。.本项目主要构造基底神经节回路的生理模型, 动力学研究多棘神经元的动力学特性和基底神经节回路的行动选择机制。探讨基底神经节回路中的不同刺激靶点的效果，确定不同频率刺激对基底神经节回路的影响，为帕金森病的治疗提供坚实的理论基础。

本项目以动力学为工具，神经科学的非线性现象和基地神经节的动作选择机制为背景，研究大脑动作选择机制和认知功能。项目组成果主要包括三部分：神经动力学，基地神经节与动作选择和MRI图像与认知功能，合计发表论文21篇，其中SCI论文 18篇。刘深泉教授与吴莹教授合作翻译神经动力学专著一本：”G. Bard Ermentrout，David H.Terman. Mathematics for Neuroscientists，Springer，2010 ”, ”神经科学的数学基础,高等教育出版社.吴莹，刘深泉翻译，2019-07-13”.在基金支持下,项目组形成稳定的科研团队,该项目已经取得的科研成果如下：.神经元的动力学研究：项目深入研究了神经元的峰发放，簇发放和混合模式振荡，得到混合模式振荡的产生条件，影响机制等突出成果。基底神经节回路中多棘神经元，采用多房室模型，得到树突切割对胞体发放的影响。行动选择决策问题：基于前额野回路模型，得到影响眼动眼跳的机制，取得比较好的成果。视觉通路的信息传递问题，建立视网膜回路模型，期望通过STDP学习得到神经通路的稀疏性，项目组仍然继续深究这个问题，研究神经回路稀疏的来源。MRI图像与认知功能：利用MRI信号分析阿尔茨海默病与轻度认知障碍的问题。项目核心研究认知功能，希望用神经动力学理解神经编码，解释神经认知，决策选择的机制。.目前,团队以皮层-基底神经节回路为基础,用动力学相空间的电位发放和轨道理论，集中研究神经传导编码和认知功能的动力学理论，模型解释神经认知学习和决策选择机制，期望得到重大突破。