损伤神经自发放电节律变化中的混沌与阵发现象

为阐明损伤神经自发放电的动力学机制,长时间顺序记录大鼠损伤坐骨神经单纤维自发放电的动作电位间期序列（ＩＳＩ）。在损伤位点应用钾通道阻断剂ＴＥＡ,发现了周期一与周期二之间存在混沌的节律形式,并初步探讨了在这种情况下进入混沌的道路。应用分叉图、回归映象、功率谱等非线性动力学方法分析和对比了实验与数学模型中的非线性现象,使实验结果的可靠性得到了进一步的证明。     

神经元的确定性与随机性整数倍放电

在大鼠损伤背根节神经元的自发放电中发现了整数倍放电, 为了阐明这种放电所产生的原因, 首先研究神经元模型中确定性混沌所引起的整数倍放电与噪声所诱发的整数倍放电的峰峰间期（ＩＳＩ） 序列,通过分析得到前者的ＩＳＩ序列是非线性可预报的,具有确定的非线性特性,但由噪声所诱发的整数倍放电的ＩＳＩ序列是不可预报的, 这表明这两种机制所产生的整数倍放电具有不同的特点,存在着定性的差别,并且混沌运动所产生的整数倍放电是由混沌中各阶不稳定周期轨道决定的。从这种差别出发,分析了实验中整数倍放电的ＩＳＩ 序列,得到该ＩＳＩ 序列是可非线性预报的,这表明大鼠损伤背根节神经元自发放电中的整数倍放电更可能是由确定性机制所产生的     

神经元的稳定性与随机性整数倍放电

在大鼠损伤背根节神经元的自发放电中发现了整数倍放电,为了阐明这种放电所产生的原因,首先研究神经元模型中确定性混沌所引起的整数倍放电与噪声所诱发的整数放电的峰峰间期序列,通过分析得到前者的ＩＳＩ序列是非线性可预报的,具有确定的非线性特性,但由噪声所诱发的整数倍放电的ＩＳＩ序列是不可预报的,这表明这两种机制所产生的整数倍放电具有不同的特点,存在着定笥的差别,并且混沌运动所产生的整数倍放电是由混沌中各种     

大鼠视上核神经元自发放电节律的确定性机制

利用非线性动力学的方法,在多种生物数据中找到了确定性机制。大鼠下丘脑视上核（ｓｕｐｒａｏｐｔｉｃ ｎｕｃｌｅｕｓ,ＳＯＮ）神经元自发产生不规则的放电。为了研究这些不规则放电是否含有确定性机制,用电流钳对大鼠ＳＯＮ神经元进行全细胞纪录,取动作电位峰峰间期序列（ｉｎｔｅｒｓｐｉｋｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ,ＩＳＩ）作为研究对象。采用一种新的检测时间序列非稳定周期轨道的方法分析ＩＳＩ序列,发现ＩＳＩ含有非稳定     

混沌放电的可兴奋性细胞对外界刺激反应敏感的动力学机制

在大鼠损伤背根节神经元受到去甲肾上腺(NE)、四乙基胺(TEA)和高浓度钙等剌激的实验中,观察到非周期放电的神经元明显地比周期放电的神经元对外界刺激的反应敏感程度高。现有的结果表明许多非周期放电的神经元实际上表现为确定性的混沌运动,比如混沌尖峰放电、混沌簇放电以及整数倍放电等。以修正的胰腺B细胞Chay模型为例,通过对其分岔结构的分析和对构成混沌吸引子的基本骨架的不稳定周期轨道的计算,揭示了分岔、激变和混沌运动对参数敏感依赖性是该现象产生的动力学机制。同时指出以往使用平均发放率来刻划可兴奋性细胞放电活动存在的缺陷,提出了一种新的利用周期轨道信息的刻划方法。     

神经起步点自发放电节律及节律转化的分岔规律

在神经起步点的实验中观察到了复杂多样的神经放电([Ca^2 ]o)节律模式,如周期簇放电、周期峰放电、混沌簇放电、混沌峰放电以及随机放电节律等。随着细胞外钙离子浓度的降低,神经放电节律从周期l簇放电,经过复杂的分岔过程(包括经倍周期分岔到混沌簇放电、混沌簇放电经激变到混沌峰放电、以及混沌峰放电经逆倍周期分岔到周期峰放电)转化为周期l峰放电。在神经放电理论模型——Chay模型中,调节与实验相关的参数(Ca^2 平衡电位),可以获得与实验相似的神经放电节律和节律转换规律。这表明复杂的神经放电节律之间存在着一定的分岔规律,它们是理解神经元信息编码的基础。     

黑质致密部神经元的反应性与放电型式的关系

通过研究黑质致密部（subastantia nigra compacta,SNc）神经元的放电型式与其对谷氨酸、多巴胺及缺氧敏感性的关系,探讨“非周期敏感”的现象在神经系统的普通性。在幼鼠的脑片胞外记录SNc神经元的自发放电,比较周期与非周期放电神经元对该三种刺激反应的敏感性,并对非周期放电神经元的动作电位峰峰间期序列（interspike interval,ISI）进行非线性动力学分析。结果表明,非周期放电神经元比周期放电神经元对上述三种缺少更敏感;非周期放电神经元的放电ISI序列含有非稳定周期轨道族,提示非周期放电存在确定的动力学机制。     

大鼠视上核神经元自发放电节律的确定性机制

利用非线性动力学的方法 ,在多种生物数据中找到了确定性机制。大鼠下丘脑视上核(supraopticnucleus,SON)神经元自发产生不规则的放电。为了研究这些不规则放电是否含有确定性机制 ,用电流钳对大鼠SON神经元进行全细胞纪录,取动作电位峰峰间期序列(interspikeinterval,ISI)作为研究对象。采用一种新的检测时间序列非稳定周期轨道的方法分析ISI序列 ,发现ISI含有非稳定周期轨道族 ,即周期1 ,周期2 ,和周期3存在。结果表明 ,SON神经元的自发放电序列存在确定性的动力学机制。     

损伤神经自发放电节律分岔与频率变化的非线性特征

为了研究神经放电节律回周分岔与放电频率变化之间的关系,采用大鼠坐骨神经慢性结扎模型,记录损伤区的自发放电,观察放电节律转化的动力学规律,分析相应的放电频率的变化,并用理论模型进行数值模拟。结果表明,与放电节律加周分岔相对应,放电频率的变化呈现非线性的特征,数值模拟支持实验的发现。研究提示：神经放电的频率变化与刺激强度的改变并非呈简单的线性相关,可能具有更复杂的关系。     

豚鼠听神经放电的复杂性分析

运用刻划非线性动力系统复杂性的两种测算方法：复杂度和近似熵,结合替代数据法,研究豚鼠听神经单纤维放电时间间隔序列的复杂性。结果显示,听神经自发放电时间间隔序列的复杂度要高于诱发时的复杂度;听神经诱发放电时间间隔序列的近似熵低于随机重排替代数据的近似熵。提示听神经放电不是完全随机的过程,而可能是混沌的动力学行为,而且诱发放电时的规律性更强。     

实验性神经起步点的不规则节律中的非稳定周期轨道

在大鼠坐骨神经结扎模型中,记录到放电节律以周期加方式相互转化,在确认了周期二与周期三之间的不规则节律具有混性质后,借助峰峰间期序列的回归映象方法,使用了一种测度增强算法,确认了此混沌放电中的非稳定周期轨道结构,提示出非稳定周期轨道在神经不规则放电节律的动力学之中起着重要作用。     

豚鼠背侧海马锥体细胞自发放电特征

实验采用细胞外玻璃微电极采集豚鼠海马神经元放电信号,并将信号转化为峰峰间期(interspike interval,ISI)以研究麻醉和清醒状态海马锥体细胞自发放电线性和非线性特点。实验建立了豚鼠海马锥体细胞与中间神经元电生理鉴别标准;麻醉和清醒状态下豚鼠海马CA1和CA3区锥体细胞自发放电频率、时程、复杂度等无显著区别;麻醉组豚鼠海马锥体细胞ISI序列的复杂度小于清醒组,锥体细胞分型和ISI变异度等表现不同。实验表明,麻醉和清醒状态下豚鼠海马锥体细胞自发放电呈不同线性和非线性特征。传统和非线性研究手段的结合,可能较全面地反映海马锥体细胞自发放电特性。     

引起神经元“非周期敏感现象”的分岔机制

实验发现神经元平均发放率变化率在放电脉冲序列串(ISI序列)呈非周期节律时普遍大于ISI呈周期节律时的平均发放率变化率,称为“非周期敏感现象”。以HR神经元模型和胰腺β-细胞模型为例,在合适的参数改变量作用下观察到了“非周期敏感现象”,并进一步讨论了平均发放率变化率与ISI序列动力学性质的关系。发现当ISI序列经历混沌-周期分岔时“非周期敏感现象”表现明显,尤其在ISI序列经历从混沌到嵌入在混沌中的周期窗口的分岔时表现最为显著。进一步的分析表明周期窗口在整个混沌带中所占测度较大,故混沌．周期分岔及从混沌到嵌入在混沌中的周期窗口分岔是引起神经元“非周期敏感现象”的一种重要动力学机制。实验结果支持上述结论。     

用近似熵测量神经放电峰峰间期的复杂性

近似熵是用来测量信号复杂程度的非线性方法。为了研究神经放电序列的复杂性,用该方法及其改进方法对大鼠损伤坐崩神经模型、大鼠脑薄片视上核神经元自发放电模型、背根节自发放电模型峰峰间期以及Rose-Hindmarsh理论神经元模型分叉数据进行了动态测量。结果表明,近似熵可以定量反映多种神经放电序列复杂性的变化,是一种较为有效的复杂性序量方法。     

周期激励下 FitzHugh-Nagumo模型的两种多峰分布放电节律

文章揭示了外界周期脉冲激励下神经元系统产生的随机整数倍和混沌多峰放电节律的关系.随机节律统计直方图呈多峰分布、峰值指数衰减、不可预报且复杂度接近1;混沌节律统计直方图呈不同的多峰分布,峰值非指数衰减、有一定的可预报性且复杂度小于1.混沌节律在激励脉冲周期小于系统内在周期且刺激强度较大时产生,参数范围较小;而随机节律在激励脉冲周期大于系统内在周期且脉冲刺激强度小时,可与随机因素共同作用而产生,产生的参数范围较大.上述结果揭示了两类节律的动力学特性,为区分两类节律提供了实用指标.     

周期激励下FHN模型的两种多峰分布放电节律

文章揭示了外界周期脉冲激励下神经元系统产生的随机整数倍和混沌多峰放电节律的关系.随机节律统计直方图呈多峰分布、峰值指数衰减、不可预报且复杂度接近1;混沌节律统计直方图呈不同的多峰分布,峰值非指数衰减、有一定的可预报性且复杂度小于1.混沌节律在激励脉冲周期小于系统内在周期且刺激强度较大时产生,参数范围较小;而随机节律在激励脉冲周期大于系统内在周期且脉冲刺激强度小时,可与随机因素共同作用而产生,产生的参数范围较大.上述结果揭示了两类节律的动力学特性,为区分两类节律提供了实用指标.     

由三态跃迁机制产生的两种神经放电节律

在实验性神经起步点自发放电中,发现了两种三态跃迁节律,其特征为静息、周期n及周期n+1(n=1,2)簇放电随机交替出现。应用随机Chay模型数值仿真,分别得到了与实验模型中相似的两种三态跃迁节律,这两种节律都是在两个紧邻的分岔点附近,由噪声驱动而产生的。理论分析提示,当神经元系统接近从静息经分岔到放电的临界状态,且从静息到周期n的分岔点,与从周期n到周期n+1的分岔点非常接近时,在噪声的作用下,系统运动会在静息、周期n和周期n+1三种状态之间随机跃迁,从而形成了这种三态跃迁节律。基于这种三态跃迁放电的随机共振,还有待进一步深入研究。     

神经放电节律加周期分岔序列中的簇放电到峰放电的转迁

含快慢子系统的神经元数学模型仿真预期,神经放电节律经历加周期分岔序列,可以进一步表现激变,并通过逆倍周期分岔级联进入周期1峰放电。实验调节胞外钙离子浓度,观察到从周期1簇放电开始的带有随机节律的加周期分岔到簇内有多个峰的簇放电,再经激变转迁到峰放电节律的分岔序列,提供了这种分岔序列模式实验证据。实验所见之激变表现为簇放电节律的休止期消失,放电节律变为混沌峰放电和周期峰放电。作者利用随机Chay模型更加逼真地仿真再现了实验所见的分岔序列。该实验结果验证了以前的确定性数学模型的理论预期,并利用随机理论模型仿真了其在现实神经系统的表现;揭示了一类完整的神经放电节律的转换规律。     

大鼠损伤神经的三种诱发簇放电节律

实验运用单纤维记录技术,观察了损伤神经起步点自发放电在改变[Ca^2 ]。和veratridine作用下放电节律的变化。结果表明：在每一标本上,记录到的相同背景的自发放电在低与高Ca^2 浓度和veratridine的作用下,转化为三种不同类型的簇放电。结果提示,神经元放电的节律形式与刺激的性质相关,不同的节律形式可能携带着不同的神经信息。     

人心脏低维动力学模型的计算机模拟

心脏窦房结与异位心室搏动非线性相互作用,导致调制并行收缩反常节律。本文从新的低维动力学心脏模型（双参量圆周映射）出发,研究由周期性到不规则、混沌动力学过渡的性质。模型的数值实验揭示出在双参量空间不同区域中,某些特征性步入混沌的道路和总体标度关系。一个明显特征是,在双参量空间宽广范围内观察到无穷层次的嵌套结构,即嵌在混沌带中的周期递加序列。而且,出现周期性的位置或者周期窗口的宽度,均存在普适的标度关系。另一方面,在参量空间一部分,包含相互交叠的不同周期性稳定轨道,有极复杂图象。本文结果显示,运用数值方法计算李雅普诺夫指数谱,可以基本上确定人心脏圆周映射的二维分岔结构和标度性质。