Theta嵌套的gamma节律的神经动力学模型研究

近年来，许多研究表明低频段和高频段的脑波节律相互耦合的振动模式在视觉识别及学习记忆等认知行为中起着重要作用。但实验背后的神经机制还依然是个谜。本项目旨在结合神经科学实验，通过构建一个具有生物学意义的神经网络模型来研究4-8Hz的theta节律如何结合30-100Hz的gamma节律实现其在视觉识别及学习中的功能，并探讨背后的突触动力学机制。我们首先利用计算机模拟调节模型参数来展现低频段(4-8Hz)和高频段(30-100Hz)节律共存的动力学行为，并从时频图、两种节律的相干性、神经元群体的同步性以及下一层神经元的发放行为等得到和实验相一致的结论。在肯定模型的合理性之后，我们进一步讨论神经元之间的突触连接对theta节律和gamma节律的谱以及两种节律之间的相干性等的影响，以及突触可塑性对theta节律和gamma节律的调控作用。

本项目执行以来，共完成高质量学术论文4篇(均为SCI), 其中2012 年我们关于非平衡定态理论及应用的系列工作以长达86 页的篇幅发表在物理类顶尖刊物Phys.Rep(IF: 20.574)上, 引起了物理、生物、物理化学及应用数学领域学者的广泛关注和兴趣, 另1篇发表在PLoS one (2012, IF: 4.4)上。另外，参加国际国内会议4次，会议论文3篇，其中1篇为邀请报告并在 J. Biotech(2010)作为综述发表。..在我们的研究中，为解释动物羊视觉识别实验中发现的颞叶脑区局部场电位出现theta 节律及theta 节律对gamma 节律调控增强的现象，我们构建了一个由兴奋性神经元、抑制性神经元组成的神经网络模型来体现实验中出现的theta嵌套的gamma节律, 并从时频图、两种节律的相干性、神经元群体的同步性以及下一层神经元的发放行为等得到和实验相一致的结论。相应结果发表在BMC Neuscience(2011)上。我们进一步利用模型探讨了实验现象背后的突触机制，以及突触可塑性对theta节律和gamma节律的调控作用。发现经学习之后theta 节律的增强，同时theta 节律的相位对gamma 节律的振幅的调制也加强。通过调节相应的突出链接，我们发现实现这种增强效应不仅需要NMDA 受体的电导改变，也需要GABA 受体的电导改变。相应结果发表在 PLoS one (2012)上。另一方面，我们对神经元的相干共振进行了深入的分析，给出了Integrate-and fire 模型，Fizhugh-Nagumo模型的相关共振的非平衡态机制。进一步，我们从非平衡态环流角度给出了由内噪声(离子通道随机开关)引起的Hodgkin-Huxley神经元的自发发放的内在机制。相应的结果发表在物理类顶级期刊 Phys. Rep(2012)上。..应J Biotech主编Dr. Doris Jording邀请，我们撰写了一篇综述报告，总结了神经肽在神经元信息传递中不同于神经递质的特点，以及它们在情感、学习、记忆中的特定作用。进一步，对时间和空间都是大尺度上的神经肽的动力学建模我们通过具体的oxytocin这一特定的荷尔蒙进行了探讨,给出了具体建模的方法。