动态神经元的网络模型 Ⅰ.模型和算法

从生物神经元接收和处理信息的基本实验事实出发,提出了一种新的神经网络模型。这个模型修改了大多数现有人工神经网络中关于输出函数只反映静态特性的假设,而强调了神经元发放脉冲的动态过程。模型方程分别对应于突触后电位、感受器电位、始段分级电位和轴突上的的脉冲系列,每个方程都具有明确的生理意义。还给出了计算此非线性方程组解的递推算法和程序框图。因此不仅可对本模型作进一步的理论分析,也可在计算机上仿真,并和相应的生物学实验资料进行对照比较。     

动态神经元的网络模型 Ⅰ.模型和算法

从生物神经元接收和处理信息的基本实验事实出发,提出了一种新的神经网络模型。这个模型修改了大多数现有人工神经网络中关于输出函数只反映静态特性的假设,而强调了神经元发放脉冲的动态过程。模型方程分别对应于突触后电位、感受器电位、始段分级电位和轴突上的的脉冲系列,每个方程都具有明确的生理意义。还给出了计算此非线性方程组解的递推算法和程序框图。因此不仅可对本模型作进一步的理论分析,也可在计算机上仿真,并和相应的生物学实验资料进行对照比较。     

生物神经系统的编码特性和小世界特性

本文主要研究视网膜神经系统和七鳃鳗脊椎神经系统的电位发放特性和网络特性,首先利用抑制神经系统的Winner Less Competition（WLC）模型,分析视网膜和七鳃鳗脊椎神经系统的电位发放．得到视网膜神经元和脊椎神经元的电位发放模式．然后利用Watts-Strogatz小世界网络的特性,分析两个生物神经系统的群集系数和特征路长,说明这些生物系统神经元之间的信息传递具有小世界网络的特性．     

龙虾胃肠神经系统的数值分析

利用抑制神经系统的WinnerLess Competition(WLC)模型,通过数值方法分析Mulloney型龙虾胃肠神经系统神经元的电位发放,得到胃研磨囊和幽门神经系统中各个神经元的电位发放和系统的节律变化。结果表明,胃研磨系统内神经元的发放规律显示两侧牙齿和中间牙齿出现切断、挤压和研磨食物等状态,幽门系统内神经元的发放规律显示幽门节律出现依次发放的三个部分。两个神经系统的数值结果,不仅解释了龙虾胃肠神经系统中神经元电位发放与肌肉运动的关系,而且理论再现了龙虾胃肠神经系统的节律变化和实验结果。     

一种修正的动态神经元网络模型的类脑电活动及其应用

在作者以前所提出的一种简化现实性神经网络模型－动态神经元网络模型的基础上,进一步考虑了发放神经脉冲引起的兴奋性变化以及每个神经元和其它神经元之间都只有有限联结的性质。使修正后的模型具有更强的生物学真实性。计算机仿真表明由这样的网络产生的类脑电活动对初值极端敏感,具有明显的混沌动力学性质,利用这一点作者们成功地对电脑文档进行了加密和解密,参数和初值的微小改变都使解密失败,从而可望由此得出高度可靠的保     

四逆散对PTSD及睡眠障碍大鼠海马CA1/CA3区神经元动作电位的影响

目的：研究四逆散对创伤后应激障碍（PTSD）及睡眠障碍大鼠海马CA1/CA3区神经元动作电位的影响。方法：SD雄性大鼠50只随机分为5组：空白组、生理盐水组、模型组、四逆散组和帕罗西汀组（n=10）。空白组和生理盐水组正常饲养,其他组用幽闭电击法复制PTSD模型,生理盐水组每天灌胃给予生理盐水10 ml/kg,模型组于造模前1 h灌胃生理盐水10 ml/kg,帕罗西汀组和四逆散组分别于造模前1 h灌胃盐酸帕罗西汀4.2 mg/kg和四逆散2.41 g/kg进行处理,每天1次,连续7 d,造模和干预同时进行。使用在体多通道神经信号采集系统,采集大鼠海马CA1/CA3区神经元动作电位。结果：生理盐水组与空白组大鼠海马CA1/CA3区动作电位发放均多为发散状,且脉冲较密集。与生理盐水组相比,模型组大鼠海马CA1/CA3区动作电位发放脉冲较稀少,电位发放呈簇状。与模型组相比,帕罗西汀组、四逆散组动作电位发放脉冲稍多,呈发散状。与空白组比较,生理盐水组大鼠海马CA1/CA3区平均峰电位发放速率无明显差异,提示灌胃刺激对大鼠海马CA1/CA3区平均峰电位发放速率影响不明显。模型组大鼠海马CA1/CA3区平均峰电位发放速率显著低于生理盐水组,表明幽闭电击能明显抑制海马CA1/CA3区平均峰电位发放速率。与模型组相比,四逆散组和帕罗西汀组大鼠海马CA1/CA3区平均峰电位发放速率均显著升高,提示两药物对PTSD大鼠海马CA1/CA3区单位时间峰电位发放速率有明显调节作用。结论：四逆散对大鼠海马CA1/CA3区神经元时空特性损害有明显的改善作用。     

双层Hodgkin-Huxley神经元网络中的随机共振

随机共振是一种非零噪声优化系统响应的现象。运用信噪比的评价方式,研究单个Hodgkin-Huxley神经元及其所构建的双层神经元网络中的随机共振,来模拟生物感觉系统中检测微弱信号的随机共振现象。结果表明,单个神经元在阈值下存在噪声优化系统检测性能的随机共振现象,但是最优的噪声强度却随外部信号性质的改变而变化;双层神经元网络不但可以在固定的噪声强度上对一定幅度范围内的阈下信号进行优化检测,而且噪声的存在并没有降低网络对阈上信号的检测能力。     

脉冲磁场对神经元动作电位发放的影响

磁场作用于生物体产生的生物效应被广泛研究。本文将脉冲磁场作用于神经元细胞,试图观察Na+通道的变化及其引起的动作电位的变化。选择频率15 Hz、强度1 mT的脉冲磁场刺激昆明小鼠大脑皮质神经元,随后进行全细胞膜片钳实验。结果显示,脉冲磁场延缓了Na+通道电流的激活,促进Na+通道电流的失活。基于经典的细胞三层介电模型,模拟了在脉冲磁场下细胞膜电位分布的极化图,结果显示诱发的膜电位大小与脉冲磁场的频率和强度有关。基于Hodgkin-Huxley(H-H)模型,仿真了脉冲磁场感应的电流作用于离子通道所产生的动作电位曲线,与不加刺激时候的曲线相比较,当外加电流在-1.32~0μA时,动作电位的产生频率减小,幅值降低;当外加电流大于0μA时,动作电位的产生频率增大,幅值变化不明显;当外加电流小于-1.32μA时,动作电位的上升时间快速变短,峰值剧烈降低,无法形成完整的动作电位,即无动作电位。以上结果提示,磁场刺激可通过调节Na+通道影响神经元动作电位的发放频率和幅值。     

短时记忆的生物物理学模型

采用心理物理函数模拟短时记忆期间神经元的电活动方式。通过“整合－发放”网络模型研究了短时记忆的容量、遗忘和复述等问题。计算机模拟的结果较符合实际的心理过程。通过对心理物理函数中诸参数的考察,发现元的后去极化电位与记忆容量呈线性关系。另外,网络中神经元的耦合方式也是记忆存储的决定性因素,其它如脑电振荡,后去极化电位延迟时间和前馈耦合延迟时间的影响也分别进行了讨论     

动态神经元网络模型的复杂性问题

在动态神经元网络模型中,当神经元总数仅为３时就观察到了非周期振荡。运用Ｌｅｍｐｅｌ和Ｚｉｖ提出的复杂性度量对这种现象进行了分析,结果表明对于其中一个神经元所发出的脉冲序列来说,至少直到１０００个脉冲为止还不能发现任何的周期性,并且其复杂性可以和由ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射所产生的时间序列当其参数落在混沌区中时所具有的复杂性相比拟．这些结果也表明这种方法是所观察的时间范围内区分长周期振荡和非周期活动的好方法。结果还提示神经生理实验记录中所谓的噪声,其中有些可能是来源于生物神经元本身的非线性性质。     

神经元集群自持续放电活动的层次网络仿真模型与分析方法

神经元集群的自持续放电活动是大脑内广泛存在的现象,其被证实在大脑的工作记忆与目标导向等行为中有重要体现。作者以非线性的整合发放(integrate-and-firing,IF)神经元模型为网络节点,构建了具有小世界特征的层次网络仿真模型,以研究自持续活动中神经元发放的一些特性。在合适的模型参数下,层次网络能产生自持续放电活动,其整体发放频率在撤掉外部刺激之后的20 s内比较稳定,而层次内部发放频率的高低与层次顺序无关。整体发放频率关于突触连接数量与短路径密度都呈现出先正关系增长再达到饱和的趋势,同时,规模越大的神经元网络的整体发放频率对短路径密度更为敏感。研究结果对揭示大脑神经元功能性核团之间的相互作用机制具有重要意义。     

免疫分子起源和进化研究新进展

脑如何控制眼睛运动,一直是神经科学家研究的前沿课题之一。近日,中国科学家在家鸽外展神经核里记录到297个神经元,按放电模式与眼睛运动的关系分为3类：位移神经元在扫视前20毫秒开始放电,持续到扫视结束;振荡神经元每次发放5～6簇脉冲,每簇脉冲对应眼睛的1次振荡;扫视神经元则在持续性放电的同时,对应眼睛振荡产生几簇脉冲。     

视网膜神经节细胞对自然刺激的时空反应模式

神经系统信息处理的理论研究和计算结果表明,视皮层可以通过稀疏编码 (sparse coding) 模式来处理自然刺激信息.神经元群体中,单个神经元在大多数时间里没有强的脉冲发放 (时间维稀疏性,lifetime sparseness),而针对某一刺激,只有少数神经元在特定的时间内发放 (空间维稀疏性,population sparseness).从神经元放电的时间和空间模式两个方面考察了视网膜神经节细胞群体对自然刺激(电影)的编码方式,并同实验室常用的伪随机棋盘格刺激下视网膜的反应模式进行比较,分析了视网膜神经节细胞反应的稀疏性指标,并深入探讨了其内在的时间和空间特点.结果提示,视觉系统在其最初阶段——视网膜——即开始采用一种高效节能的稀疏编码方式来处理自然视觉信息,单个神经元的时间维稀疏性节省了代谢能量消耗,而群体神经元中邻近神经元的动态成组协同发放,提高了信息向突触后神经元传递的有效性.     

单个神经元光灭活技术——神经元网络研究的一种新方法

神经系统是一个由大量非线性元件——神经元——以非常复杂的方式相互联系而组成的多成份系统。在神经元网络的研究方面,有些人认为生理学研究手段已濒临绝境,只好借助于电子线路和电子计算机来模拟其功能活动。然而,加里福尼亚大学生物学教授Allen Selveston和John P.Miller偶然发现,充注荧光染料——荧光黄的神经元受到蓝色强光照射时能在数分钟内被杀死,从而建立了单个神经元光灭活技术,为神经元网络的研究提供了一种新方法。荧光黄(Lucifer yellow CH)的激发波长为430nm。发射波长的峰值为540nm,量子产率为0.21。给小鼠静脉注射、口服或注入活神经元内的试验均表明它毒性较小。被注入到细胞内的LYCH,不到一分钟     

脉冲神经网络的振荡与分割

神经系统中的同步和振荡现象的发现,引起了人们对这些时序现象在生物信息处理中所起的机制的广泛关注。本文讨论了自组织脉冲神经网络的动态特性。在Ｇｅｒｓｔｎｅｒ等工作基础上,我们改进了脉冲响应神经元模型,并推导了多个模式在网络中共存振荡的条件,在这个条件下,网络具有良好的分割外界叠加刺激的能力。计算机模拟结果证实了我们的结论     

注意机制在嗅球学习过程中的作用

神经生物实验表明, 气味信息在嗅球中是多通道并行处理的, 并且是可学习的, 学习结果依赖于学习时的认知环境. 对于不同类型的突触, 其突触前脉冲作用于突触后的有效时间不同. 按嗅球的生理结构, 构建了一个嗅球模型, 其中神经元间的不同类型的突触连接具有不同的脉冲有效时间. 模拟结果表明这一模型实现了嗅球中信息的多通道处理. 在此基础上, 进一步研究了认知环境对气味学习的影响, 并以不同的反馈频率来表征不同的注意状态. 为满足嗅球中多通道信息编码方式对学习律的要求, 提出了一个兼顾脉冲定时和平均发放速率的反对称的Hebb学习律. 模拟结果表明, 气味在嗅球中的敏感化和习惯化, 可能是在统一的学习律指导下的学习在不同注意状态下产生的结果.     

温度对神经元网络活动的影响

利用多通道微电极阵列上培养的海马神经元网络,通过分析28～41℃范围内不同温度时网络自发放电频率．幅度和相邻峰电位时间间隔(interspike interval,ISI)的变化,探讨了温度对网络活动的影响。发现温度升高过程中放电频率、幅度呈不同程度增大的趋势,峰电位数目的变化程度随其间隔的增大呈减小趋势。结果表明体外培养的胎鼠海马神经元的网络活动具有温度敏感性。     

耳蜗微音电位数学模型及其应用——一种分离听神经动作电位的新方法

本文用生物控制论方法研究声波—耳蜗微音电位系统,建立了该系统的数学模型,提出了一种以此为基础的分离听神经动作电位的新方法.在耳蜗电位中将该模型预测出的微音电位成份减掉,便得到单独的听神经动作电位.与国内外通行使用的声音交替倒相迭加法相比,本文提出的方法有不改变听神经发放时间,可用于较复杂声音引起的耳蜗电位分析等优点,对听觉生理基础研究和耳科临床实践都有实用意义,对人工耳蜗声电特性的设计也提供了依据.     

神经元对于高频电刺激的动态响应

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)在许多神经系统疾病的临床治疗上都展现出良好的应用前景,然而,其作用机制尚不明确.常规DBS采用高频刺激(high frequency stimulation,HFS)的脉冲序列,这种窄脉冲最容易激活神经元结构中的轴突部分,通过轴突的投射,将HFS的作用传播至下游神经元.因此,为了探讨DBS的作用机制,并鉴于海马脑区是治疗癫痫和痴呆症等疾病的重要靶点,我们研究了海马区轴突HFS对于下游神经元的作用.对麻醉大鼠的海马CA1区传入神经通路Schaffer侧支施加1 min的100 Hz高频刺激,记录并提取下游CA1区锥体神经元和中间神经元的单元锋电位.计算锋电位的发放率,以及它们与刺激脉冲之间的锁相值(phase-locking value,PLV)和潜伏期,以定量分析HFS期间神经元动作电位发放的变化趋势.结果显示,在传入轴突上施加HFS时,初期会诱发下游神经元群体同步产生动作电位(即群峰电位).在HFS后期(群峰电位消失之后),两类神经元的单元锋电位发放仍然持续,并且发放率较稳定.但是,锋电位与刺激脉冲之间的锁相性逐渐减弱、潜伏期逐渐延长.而且,与中间神经元相比较,锥体神经元锋电位的锁相性更弱、潜伏期更长.这些结果表明,持续的轴突HFS可以诱导下游神经元产生非同步的活动,高频脉冲刺激引起的不完全轴突传导阻滞可能是导致该现象产生的主要原因.本文的研究为揭示脑刺激的作用机制提供了重要信息.