Gamma振荡中神经元相位关系的机制研究

Gamma振荡中神经元的相位关系具有重要的神经功能，但是实验和理论神经科学都还没能阐明神经元相位关系的形成机制。本项目利用微观和宏观相结合的系统科学方法研究微观层次神经元的行为和相互作用机制涌现出宏观层次神经元相位关系的动力学机制。在微观上建立神经元网络，利用计算机模拟进行交叉对照试验，筛查影响神经元相位关系的神经机制；基于微观层次神经元的动力学和相互作用机制，建立宏观的动力学方程，分析其动力学行为和几何结构，以揭示微观的神经机制产生宏观的神经元相位关系的动力学机制。本项目的顺利开展不仅解决神经科学中的一个难题，还能加深系统科学对神经系统复杂性的认识。

本项目采用神经元群发放率模型和放电神经元网络模型研究了Gamma振荡条件下兴奋性神经元与抑制性神经元发放活动的相位关系。研究表明：如果Gamma振荡完全由网络中抑制性神经元的抑制性作用产生，也就是ING机制，那么兴奋性神经元活动的相位落后于抑制性神经元的相位；如果振荡是由兴奋性神经元到抑制性神经元，再到兴奋性神经元的神经元环路产生，也就是PING机制，那么兴奋性神经元的相位将领先抑制性神经元的相位。ING和PING的竞争决定两种神经元的相位差的大小。神经元群发放率模型揭示相位关系的动力学机制：微分动力系统要产生振荡行为至少要有两个变量且存在相位差，具体到神经振荡而言，在ING机制中，抑制性神经元的发放率和突触门变量构成了这两个变量，具有正反馈作用的发放率领先负反馈性质的门变量；在PING机制中，抑制性和兴奋性神经元的发放率和突触门变量构成多变量系统，在整个回路中，抑制性神经元发放率是负反馈机制而兴奋性神经元发放率提供正反馈机制，导致兴奋性神经元发放率相位领先抑制性神经元。在PING和ING机制都发挥作用的网络中，两者之间的竞争决定最终的相位关系。本项目提出神经振荡中不同神经元具有相位关系的机制，为近十多年来神经振荡的电生理研究中观察到的令人感兴趣的实验现象给出了很好的解释。同时项目还开展了计算神经的其他研究，如工作记忆容量、决策的机制等。