弱放电鱼感受器对外界刺激的动力学响应研究

The electroreceptor model of weakly electric fish is studied in our project. Considering the role of calcium ion in endoplasmic reticulum of the electroreceptor, we will refine the given model with the latest experimental datas. Compared the numerical results with the experimental datas, the parameter of model is optimized and the more reliable biological model will be presented. Furthermore, based on the modified electroreceptor model, the dynamical response for the various stimulus (noise and self-emitted electric organ discharges(EODs), two-frequenies EODs) is studied numerically and theoretically. The constructive effect of noise for perceiveing the self-emitted EODs will be analyzed, and the dynamical behavior in electroreceptor system subject to two-frequencies EODs is also investigatived... In our project, we try to answer some questions which are difficult to handled in the experimental science of neuron. For example, how do the two weakly electric fishs communicate by their EODs? How does the electroreceptor of weakly electric fish detect and process the information provided by an electric organ discharge (EODs) with the background noise. This project is meaningful for comprehending of the biological function of neural system, and shed an improved light on our understanding of the complex dynamics of neuron.

本项目的主要内容是以弱放电鱼的电感受器为主要模拟对象，在已有模型的基础上，考虑感受器细胞内内质网中钙离子的作用，结合最新的实验数据，改良已有的感受器模型。通过模型的数值结果和相关实验数据的比较，进一步优化模型参数，建立较真实可靠的生物学模型。根据模型，采用理论分析与数值计算相结合的方法，系统地研究感受器对外界各种刺激的动力学响应，深入地讨论双频电信号刺激对感受器的动力学响应以及噪声在弱放电鱼感知电场的积极作用。本项目的实施，将回答一些神经实验科学目前难于研究的前沿问题，如弱放电鱼之间的通讯交流；在环境噪声的影响下，如何通过自身电场感知外界物体等。本课题对于促进我们对神经元复杂动力学过程的理解，拓展和加深我们对神经细胞的生物学功能的定量了解具有重要的科学意义。

在科学和技术领域，特别是生物领域，双频信号是普遍和重要的。许多动物都能感知外界多频混合信号。信号探测的机制也许依赖于振动共振原理，即高频周期信号能优化系统对弱周期信号的响应。本项目的主要内容是以弱放电鱼的神经元模型为主要模拟对象，研究神经元模型对多频信号的响应。主要的研究内容和结果如下：1. 在一个包含内部的钠和钾的动力学的CA1锥形神经元模型中，我们研究了其振动共振效应。我们发现，如果内部的钠和钾的浓度恒定，多振动共振的现象被观察到，如果内部的钠和钾的浓度是动力学变化的，多振动共振的现象也会被发现，且内部的钠和钾的浓度能加强振动共振现象，即能加强神经系统对弱周期信号的响应。我们的研究结果表明离子浓度动力学在信号探测过程中起重要作用，这与当前普遍流行的观点不一样。2. 我们研究了高频周期驱动对一般的非线性系统的影响，并通过扩展绝热近似方法（快慢运动分离）推导出一个有效的的慢运动方程。基于这一理论，高频力可以通过改变其振幅和频率来诱导系统的各种相变。 3. 我们研究受弱周期信号和空间驱动力驱动的反应扩散系统的动力学行为。我们发现系统对弱周期信号的响应会被适当的空间周期力加强。特别是，对于选择比较特殊的频率，系统的响应会更强。在此频率下，反应扩散系统与空间周期力同步。4. 我们研究了影响耦合非线性系统中的同步的各个因素，包括：传播时延、无序、过程时延、排斥耦合等。各种类型的同步模式被，包括：完全同步态，反相完全同步态，反相同步，和相位同步。本课题对于促进我们对神经元复杂动力学过程的理解，拓展和加深我们对神经细胞的生物学功能的定量了解具有重要的科学意义。