星形胶质细胞与神经元耦合系统的随机动力学行为研究

传统观点认为星形胶质细胞是为神经元提供结构和代谢支持的被动单元，最近的科学研究发现，星形胶质细胞能积极调节神经元的代谢和内环境，参与神经元的活动，对神经系统的生理活动具有重要的作用。本项目以星形胶质细胞和神经元耦合系统为研究对象，理论研究多种来源的随机性对系统动力学行为的影响。首先以相关实验数据和确定性理论模型为基础，建立随机模型；以随机模型为基础，采用理论分析与数值计算相结合的方法，研究在考虑随机性后，系统中各种调节通路在突触通信中所起到的作用；研究系统对含有噪声的ATP信号的响应方式；研究随机性与星形胶质细胞中钙离子自发振荡的关系，以及同时神经元对自发钙离子振荡的响应，该响应方式可能与癫痫病的发生相关。通过该项目的实施，我们期望找到随机性在星形胶质细胞参与突触通信中所起到的关键性作用；同时，项目的实施有助于进一步认识星形胶质细胞在突触通信中作用的机理。

本项目采用数值计算与理论分析相结合的方法，研究了神经元和胶质细胞耦合系统的动力学行为、神经发放斑图以及噪声对神经胶质耦合系统的影响。另外，本项目还采用数值模拟的方法研究了规则神经网络中噪声和缺陷对神经斑图的影响。. 首先，基于Hodgkin-Huxley（HH）神经模型和Li-Rizel钙离子模型，我们建立了一个包含两个神经元和一个胶质细胞的三单元模型。通过该模型的分析和模拟发现，胶质细胞的存在能诱导神经信号变成一种阵发式发放，这种发放方式广泛存在于各种神经元。.然后，我们将离子通道噪声引入该模型。结果发现噪声能通过诱发自发钙离子振荡在多种参数区域范围内诱导阈值下的神经元阵发式发放，而且阵发式发放的规则性呈现出随机共振的现象；两神经发放的同步性和产生的机制也呈现出多样性的特征。.最后，我们以一些简单模型为基础，研究了规则神经网络中螺旋波斑图的产生和稳定性问题，以及噪声和非均匀区域对螺旋波的作用效果。结果发现螺旋波斑图对这种空间噪声具有很好的鲁棒性，噪声虽然不能压制螺旋波，但是我们发现它可以诱导螺旋波波头轨迹的转变；扩散型的离子通道中毒很容易实现螺旋波的破裂，局域中毒能够打破靶波形成螺旋波。另外，我们发现当螺旋波接近了非均匀区域的时候，它对螺旋波有排斥力作用；而当螺旋波被非均匀区域钉杂住以后，它对螺旋波又有很强的吸引作用。我们考虑用电场将螺旋波推向或推离非均匀区域，并以所采用的电场强度来定量相应的排斥或吸引力。