外太空微重力影响神经系统功能异常的动力学机理研究

The development of aerospace industry would demand more and more manned space missions, but the various anomalous environments in outer space, especially the microgravity, definitely bring some peculiar effects to the astronauts' brain neuron system, which urgently needs to be explored. This project intends to explain the dynamic mechanism of abnormal function in astronauts' neuron system caused by microgravity from the perspective of nonlinear dynamics, which mainly contains following research contents: 1) to propose a dynamic model of neuron-glial cell-vascular smooth muscle cell so as to explore the effects of increased intracranial pressure relating to microgravity on the neuronal firing activities as well as the affecting mechanism; 2) to characterize the changing properties of nervous structure induced by microgravity and its effect on neuronal collective dynamics; 3) to explore the effects of slowed transferring of action potential of neurons on the neuronal firing activities; 4) to consider the specific response properties of neurons, glial cells and vascular smooth muscle cells to noise, and investigate the influences of noise and the correlation of noise on the neuronal collective firing activities under microgravity conditions. This project refers to the interdisciplinary exploration of nonlinear dynamics, neuroscience and aerospace science and is a fundamental frontier research, which would enrich the brain research theory in outer space and provide the valuable theoretical foundation for post-assessing astronauts' cognitive behaviors.

随着航天事业的发展，载人航天任务需求越来越多，外太空多种极端条件，尤其微重力条件导致宇航员脑神经系统产生许多奇特的现象，急需我们探讨和研究。本项目拟从神经动力学角度刻画微重力条件引起宇航员神经系统功能发生改变的机理，主要研究内容：1）构建神经元-胶质细胞-血管平滑肌细胞耦合动力学模型，探讨微重力诱发脑颅内压升高对神经元放电活动的影响及其机理；2）研究微重力引起神经系统结构改变的表现形式及其对神经元集群动力学行为的影响；3）考虑微重力引起神经动作电位传输速度变慢对神经元集群放电行为的影响；4）刻画神经元、胶质细胞和血管平滑肌细胞对噪声的特异性响应，研究噪声及相关性对微重力环境下神经元集群放电行为的影响。本项目是非线性动力学、神经科学与航空宇航科学交叉学科的基础性前沿研究，项目研究结果将丰富太空脑研究理论，为宇航员认知行为后评估提供有价值的理论依据。

我们完全按照年度计划要求，每年按期提交年度报告，并圆满达到预期目标。.本项目重点开展了以下探索性工作：1）构建神经元-胶质细胞-血管平滑肌细胞耦合动力学模型，探讨微重力诱发脑颅内压升高，血氧浓度变化对神经元放电活动的影响及其机理；2）研究微重力引起神经系统结构改变的表现形式及其对神经元集群动力学行为的影响；3）研究电磁感应环境下神经元-胶质细胞耦合系统对不同外界刺激响应的动力学特性。.首先构建大脑神经元-胶质细胞网络模型，基于此分析胶质细胞网络连接异常对神经集群放电动力学的调控作用，发现胶质细胞网络连接阻塞可以诱发神经元癫痫放电等异常行为。进一步引入血管（血管平滑肌细胞）模型，研究血氧浓度变化调控神经元的放电特性。血管堵塞会导致神经元内外离子浓度失衡，从而诱发神经元放电异常；反之神经元放电可以通过星形胶质细胞、平滑肌细胞的离子物质交换引起血管的扩张或收缩，使得血流量和流速改变，从而进一步调控神经元放电动力学行为。.微重力会引起神经系统结构改变，基于临床数据展开脑结构与功能关系的研究，刻画结构改变对神经元集群放电动力学行为的影响。揭示了大脑结构、动力学以及功能特性之间的协同优化关系，提出了刻画大脑分离与整合的平衡指标，分离与整合的平衡对应最高的记忆能力等认知行为。.电磁辐射是航天员在微重力环境中所面临的的极端条件之一，通过构建电磁辐射影响下神经元-胶质细胞耦合模型，从动力学角度解释了电磁辐射对于神经放电的调控效果。磁感应存在条件下，在不同参数区间电刺激可以诱导神经元呈现整数倍、混沌等多种放电模式，表明电磁刺激可以调控神经元发放进而影响认知能力。.本项目研究成果在PRL、PNAS、Nonlinear Dynamics等国际著名期刊发表SCI检索论文23篇；团队成员参加国内、国际会议16个，组织全国第四届神经动力学大会和脑神经动力学与空天智能飞行器研讨会等。培养博士后3名, 博士生7名，硕士生5名。.指导博士生论文获省优博1篇，合作博士后获香江学者奖1人。部分成果获省科学技术二等奖1项。