非均匀的神经元网络簇同步和斑图随机动力学

Millions of neurons in neuronal system collaborate with each other and the microscopic physiological electric activities are associated with the working state of neuronal system. It is helpful to understand the properties of physiological electrical activities in neuronal system by investigating the transition of cluster synchronization, evolution of collective electrical activities of neurons with scheme of network and pattern dynamics, and it does give useful information references to detect some neuronal diseases. This project will investigate these following problems by using the statistical physics and nonlinear dynamics schemes. 1)Occurrence and transition of cluster synchronization in the network of neurons, the heterogeneity, effect of time-varying connection and noise. 2)Pattern formation and selection, stochatic poisoning in ion channels and diffusion in poisoned area. 3) Energy storage and release in the process of spiking or brusting. 4)The formation mechanism for defects when spiral wave emerges in the network of neurons. It is expected to understand the formation mechanism for spiral wave occurrence in the cortex of brain, the transition of synchronization in electric activities induced by the noise, topological structure, heterogeneity and different defects. This project is interdisciplinary branch of statistical physics, theoretical biophysics and nonlinear dynamics.

神经系统内百万个神经元相互协作,其微观生理电活动与神经系统工作状态相关.利用神经元网络方法和斑图动力学理论研究神经元群体放电行为的演化,以及簇同步可以认知神经系统的生理活动特征,进一步为临床诊断一些神经性疾病提供信息参考.本项目拟利用统计物理和非线性动力学方法来研究如下问题.1)不同拓扑结构下神经元网络簇同步问题,考虑介质非均匀性、网络动态连接效应、噪声效应。2）网络斑图动力学问题，离子通道随机中毒，中毒区域扩散问题。3）神经元群体放电过程中能量存储释放。4）神经元网络中诱发螺旋波的缺陷形成机制问题。拟通过本项目的研究，明确神经系统如脑皮层中螺旋波的形成和诱发机制，探求不同类型缺陷、拓扑结构和非均匀性、噪声作用下神经元群体放电同步和随机效应。本项目属于统计物理，理论生物物理和非线性科学交叉的课题。

神经系统和心肌组织包含大量的神经细胞，构建恰当的神经元网络和激发介质模型可以准确认知神经系统电活动行为，为进一步预测控制神经性疾病提供重要信息参考。可靠的神经元模型是研究神经元群体电活动行为的基础，我们基于电磁感应原理构建了新的神经元模型和心肌细胞模型。1）利用磁通量刻画电磁场效应，基于量纲一致原理利用忆阻器实现膜电位和磁通量的耦合，在模型里引入了感应电流，解释了电磁辐射下心脏死亡的两种机制。2）研究了外界噪声和电磁辐射对神经元电活动模式迁移，神经元网络群体电活动的同步和斑图稳定性问题。3）研究了不同方式产生的靶波的稳定性，单层和多层网络内信号传递和同步稳定问题。4）论证了神经元自突触形成的物理机制和生物功能，自突触调控下神经元网络的同步和斑图控制，构建了神经元-胶质细胞和自突触耦合的神经元网络来分析神经系统信号传输机制。5）基于赫姆霍兹定理研究了一类动力学系统哈密顿能量和动力学行为的关联，提出能量约束法来控制动力学系统，进一步解释了神经元电活动模式和哈密顿能量的关系。6）单层网络同步和斑图控制以及同步崩溃预测分析。相关研究可以为神经科学动力学建模，复杂网络以及动力学控制相关研究提供必要的参考。6篇相关文章被检索为ESI高被引论文。