随机电磁干扰作用下神经系统的放电行为及时空斑图动力学研究

Brain neural system is often disturbed by electromagnetic environment, and the research on its dynamics has received extensive attention of academia. So far, most of the achievements mainly focus on the power frequency electromagnetic field. While, the research on the coupling effect of random noise and electromagnetic field is less, and the theory is lack. This project intends to use the stochastic dynamic theory and nonlinear analysis method, to give the applied fundamental research on the neural system under the effect of random electromagnetic interference from the viewpoint of dynamics. The main contents include: 1. Establish the neuron model under the influence of electromagnetic field and analyze the local and global bifurcation behaviors of neurons under the action of electromagnetic field; 2. Developing the stochastic averaging method and generalized cell-mapping method, study on the stochastic bifurcation phenomena on the membrane potential of neurons induced by random noise, to reveal the mechanism of noise interference of electromagnetic field on the firing behavior and its transition; 3. Based on the mean field approximation principle, establish and solve the moment equations of coupled neural network, to discuss the inducement of electromagnetic field, random noise and network coupling on the formation and evolution mechanism of spatiotemporal pattern; 4. Achieve the weakening and suppression of order pattern by global or local random electromagnetic stimulation. Explore the random control strategy of spatiotemporal patterns in neural network cluster. This project will promote the combination of stochastic dynamics and neural dynamics, and provide a theoretical basis for the prevention and treatment of neurological diseases.

大脑神经系统往往受到电磁环境的干扰，其动力学研究受到学术界的广泛关注。目前大部分成果主要围绕工频电磁场的作用，对随机噪声和电磁场耦合效应的研究较少，理论上更是欠缺。本项目拟利用随机动力学理论和非线性分析方法，从动力学角度针对随机电磁干扰作用下的神经系统开展应用基础研究。主要内容包括：1、建立电磁场作用下的神经元模型，分析电磁场对神经元的局域和全局分岔行为的影响；2、发展随机平均法和广义胞映射方法，研究随机噪声诱导神经元膜电位的随机分岔现象，揭示电磁场的噪声干扰对神经元放电行为及其转迁的作用机制；3、基于平均场近似原理，建立和求解耦合神经元网络的矩方程，探讨电磁场、随机噪声和网络耦合诱导时空斑图的形成及演化机理；4、利用全局或局域随机电磁刺激实现有序斑图的弱化和抑制现象，探索神经网络集群中时空斑图的随机控制策略。本项目将促进随机动力学和神经动力学的结合，为神经类疾病的预防和治疗提供理论依据。

人脑处于复杂多变的电磁环境中，一方面需要研究电磁环境对神经系统放电活动的影响，另一方面需要探讨如何有效地利用电磁干扰或电磁刺激对非器质性的神经系统疾病进行无创治疗。本项目利用随机动力学和非线性动力学分析方法，围绕随机电磁干扰或电磁刺激对神经系统放电活动的调控作用开展了应用基础研究。以三种典型的神经元模型及其构成的功能和结构网络为研究对象，建立和发展了关于神经系统模式转迁与控制问题的分析方法和数值模拟算法，系统地研究了周期和随机电磁作用下神经元系统的动力学行为。同时，研究了具有随机分布特征的化学自突触对神经元系统放电活动的调控作用。此外，还探讨了电磁刺激对皮层-基底神经节-丘脑闭环（CBGT）网络的作用机制。主要研究结果如下：.1、电磁刺激会抑制神经元网络的电生理活动，不仅有效地实现神经元网络放电活动的去同步化，而且还能够控制时空斑图的演化，甚至诱导网络同步模式的转迁。另一方面，电磁扰动通过激发静息态神经元会产生阵发性的放电活动，保证神经信号在神经元之间的传递。.2、正弦感应电场中的相位噪声能够诱导相干共振现象和抑制感应电场耦合下神经元网络的同步放电活动，而电磁扰动通过激发静息态的神经元产生阵发性的放电活动可以保证神经信号在神经元之间的传递。.3、随机分布的化学自突触不仅促进神经信号在网络中的传播，而且还诱导神经元网络动力学行为的转迁，甚至能够实现神经元网络从混沌的同步状态经过时空斑图的相变最终达到高频的同步状态。.4、施加在皮层锥体神经元及抑制性神经元的外部磁刺激可以通过超直接通路影响丘脑底核的动力学行为，从而有效地改善CBGT网络中的丘脑底核和苍白球外侧的异常电活动。.本项目促进了随机动力学和神经动力学的结合，提高了对神经系统中电磁效应的认识，能够为生理上应用电磁干扰或电磁刺激治疗某些神经系统疾病提供理论指导。