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。     

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。     

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。     

交流外电场下映射神经元放电节律的分析

神经元不同的放电节律承载着不同的刺激信息。文章基于神经元映射模型,研究低频交流电场对神经元放电节律的影响。在外部刺激下映射模型表现出丰富的放电模式,包括周期簇放电、周期峰放电、交替放电和混沌放电。神经元对刺激频率和振幅的变化极为敏感,随着频率的增大,放电节律表现出从簇放电到峰放电和混沌放电的反向加周期分岔序列;在周期节律转迁过程中存在一种新的交替节律,其放电序列为两种周期放电模式的交替,峰峰间期序列具有整数倍特征。外电场的频率影响细胞内、外离子振荡周期,导致神经元放电与刺激信号同步,对放电节律的影响更为明显。研究结果揭示了交流外电场对神经元放电节律的作用规律,有助于探寻外电场对生物神经系统兴奋性的影响和神经系统疾病的致病机理。     

神经放电加周期分岔中由随机自共振引起一类新节律

当改变实验性神经起步点细胞外[Ca^2 ]时,放电节律表现出从周期1节律转换为周期4节律的加周期分岔序列。其中,周期n节律转换为周期n 1节律的过程中(n=1,2,3)存在一种新的具有交替特征的节律,该新节律为周期n簇与周期n 1簇放电的交替,并且周期n 1簇的时间间隔序列呈现出整数倍特征。确定性神经放电理论模型(chay模型)只能模拟周期n节律直接到周期n 1节律的加周期分岔序列;而随机chay模型可以模拟实验中的加周期分岔过程和新节律。进一步,新节律被确认是经随机自共振机制产生的。这不仅解释了实验现象,也将随机自共振的产生区间从以前认识到的Hopf分岔点附近扩大到加周期分岔点附近,同时扩大了噪声在神经放电和神经编码中起重要作用的参数区间。     

心肌细胞团搏动整数倍节律的非线性动力学机制

利用心肌细胞耦合模型研究心肌整数倍节律的动力学机理。确定性模型仿真揭示了心肌细胞团同步搏动加周期分岔的节律变化规律;随机模型仿真发现在加周期分岔序列中分岔点附近会出现整数倍节律,其中,0-1整数倍节律产生于从静息到周期1的Hopf分岔点附近,1-2整数倍节律产生于周期1和周期2极限环间的加周期分岔点附近;对系统相空间轨道的分析进一步揭示出整数倍节律是由系统运动在相邻的两个轨道之间随机跃迁形成的。上述分析结果不仅阐明了心肌整数倍节律的机理,并且揭示了各种整数倍节律与加周期分岔序列中相邻节律的内在联系,为重新认识心律变化的规律开辟了新的途径。     

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.     

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。     

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。