实验性神经起步点产生的整数倍簇放电节律

随机Hindmarsh-Rose模型中产生簇（bursting)放电节律是神经放电中存在随机自共振的一个重要理论证据,但是,该簇放电节律在实验中一直没有被发现。在实验性神经起步点细胞外[Ca^2 ]([Ca^2 ]o)低于周期1节律的[Ca^2 ]o时,发现了一种簇放电节律。其簇簇间期（inter-burst intervals,IBIs)呈现出与随机自共振引起的整数倍峰放电（interger multiple spiking)节律的峰峰间期类似的整数倍特征。随机Hindmarsh-Rose模型中产生的簇（bursting)放电节律也表现出类似的特征。结果验证了随机自共振簇放电的存在性,揭示该簇放电节律的统计特征。此外,该簇放电节律的参数区间以及其与整数倍峰放电节律的区别被揭示,簇放电节律的[Ca^2 ]o低于峰放电律的[Ca^2 ]o。     

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。     

实验性神经起步点自发放电的分叉和整数倍节律

在实验性神经起步点发现了放电峰峰间期序列随细胞外[Ca^2 ]变化产生的加周期分叉和整数倍节律。并用确定性Chay模型和随机Chay模型进行数值模拟。从模拟实验结果的角度看,加周期分叉过程遵从Chay模型决定的确定性机制,随机因素对其有影响但影响较小;而在相应的参数区间,整数倍节律则是在随机因素驱动下产生,是随机共振现象,是由确定性机制和随机因素共同作用的结果。这表明,实验性神经起步点放电节律的分叉和随机共振现象的出现是必然的,受确定性机制和随机因素共同影响。但在不同参数区间,随机因素对神经放电节律的作用不同。     

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。     

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。     

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.     

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.     

神经放电节律转化的分岔序列模式

神经元接受到的外界信号是动态变化的,神经放电节律模式则会依据一定的规律动态转化来反映这种变化,以往确定性理论模型(如Chay模型和Rose-Hindmarsh模型)模拟出了部分神经放电模式转化的整体分岔规律。利用Chay模型仿真,通过调节具有生理学意义的参数,模拟出了神经元放电的一系列分岔序列,同时在神经起步点的实验中,应用与模型对应的参数进行调节,观察到了与仿真结果整体上一致的分岔序列,印证了数值模拟的结果,展现了真实的神经元放电整体分岔结构的基本规律,为理解具体的生理调节活动中神经放电节律的转化提供了理论基础。     

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     

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。     

Spontaneous electrical and calcium oscillations in unstimulated pituitary gonadotrophs.

Single pituitary cells often fire spontaneous action potentials (APs), which are believed to underlie spiking fluctuations in cytosolic calcium concentration ([Ca2+]i). To address how these basal [Ca2+]i fluctuations depend on changes in plasma membrane voltage (V), simultaneous measurements of V and [Ca2+]i were performed in rat pituitary gonadotrophs. The data show that each [Ca2+]i spike is produced by the Ca2+ entry during a single AP. Using these and previously obtained patch-clamp data, we develop a quantitative mathematical model of this plasma membrane oscillator and the accompanying spatiotemporal [Ca2+]i oscillations. The model demonstrates that AP-induced [Ca2+]i spiking is prominent only in a thin shell layer neighboring the cell surface. This localized [Ca2+]i spike transiently activates the Ca2(+)- dependent K+ current resulting in a sharp afterhyperpolarization following each voltage spike. In accord with experimental observations, the model shows that the frequency and amplitude of the voltage spikes are highly sensitive to current injection and to the blocking of the Ca(2+)-sensitive current. Computations also predict that leaving the membrane channels intact, the firing rate can be modified by changing the Ca2+ handling parameters: the Ca2+ diffusion rate, the Ca2+ buffering capacity, and the plasma membrane Ca2+ pump rate. Finally, the model suggests reasons that spontaneous APs were seen in some gonadotrophs but not in others. This model provides a basis for further exploring how plasma membrane electrical activity is involved in the control of cytosolic calcium level in unstimulated as well as agonist-stimulated gonadotrophs.     

ATP-sensitive potassium channel and bursting in the pancreatic beta cell. A theoretical study.

Based on the existence of ATP-sensitive potassium channels in the plasma membrane of pancreatic beta cells, we develop a quantitative explanation of the electrical activity observed in pancreatic islets. The proposed mechanism involves the voltage-dependent inward calcium and outward potassium currents described by Rorsman and Trube (1986), which are voltage-activated when an increase in the cytoplasmic ATP/ADP ratio decreases the conductance of the ATP-sensitive potassium channels. It is proposed that modulation of the ATP/ADP ratio occurs through calcium inhibition of oxidative phosphorylation. In this picture the mitochondria serve as a transducer of metabolic activity whose sensitivity is modulated by cytosolic calcium. Solution of the differential equations that describe this mechanism gives rise to both bursting and continuous spiking electrical activity similar to that observed experimentally. While the mechanism for bursting in this model involves the ATP/ADP ratio, the feedback is still provided by calcium, as originally proposed by Chay and Keizer (1983) using a Ca2+-activated potassium conductance. A mixed-model, which includes both ATP-sensitive and Ca2+-activated potassium conductances, also reproduces the experimentally observed electrical activity and may correspond more closely to the actual situation in vivo.     

Effects of extracellular calcium on electrical bursting and intracellular and luminal calcium oscillations in insulin secreting pancreatic beta-cells.

The extracellular calcium concentration has interesting effects on bursting of pancreatic beta-cells. The mechanism underlying the extracellular Ca2+ effect is not well understood. By incorporating a low-threshold transient inward current to the store-operated bursting model of Chay, this paper elucidates the role of the extracellular Ca2+ concentration in influencing electrical activity, intracellular Ca2+ concentration, and the luminal Ca2+ concentration in the intracellular Ca2+ store. The possibility that this inward current is a carbachol-sensitive and TTX-insensitive Na+ current discovered by others is discussed. In addition, this paper explains how these three variables respond when various pharmacological agents are applied to the store-operated model.