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生物学
神经系统的多时空尺度的复杂动力学及功能意义探讨:从神经元电活动到大脑决策
神经系统包括感觉、中枢和运动神经系统,在不同空间尺度表现出复杂的动力学行为来实现生物学功能,与系统的非线性特征、不同时间尺度变量的相互作用和不同空间尺度间的行为整合有关,还受外界刺激、内外噪声和系统参数的调控。本论文是近3年通过实验结合理论模型、利用非线性动力学、网络理论和因果关系分析等方法进行的研究,包括:(1)在神经元层次研究了受迫、随机和自激振荡,利用分岔揭示了放电节律在神经信息处理中的作用机制,包括:在感(触压和痛)觉神经发现了随感觉信息强度变化的簇/峰放电节律的复杂转迁规律,即感觉信息的节律编码机制;揭示了突触噪声作用下的脑内海马锥体神经元对应I型兴奋/Hopf分岔的节律因有固有频率因而比II型/鞍结分岔的有更强的信息传递能力;对具有超极化激活电流(Ih)的脑神经元,利用结点变为焦点解释了阈下刺激诱发的共振,利用节律远离分岔点解释了噪声作用下的精确放电,揭示了信息处理中的频率特性。(2)在网络研究了不同调控因素(神经元节律、耦合时滞及Ih流)对时空行为的影响,包括:揭示了调控抑制耦合时滞诱发的反相同步到(多重)同相同步的转迁,利用簇放电的相位响应特征(快慢变量分离)进行了解释,认识了龙虾幽门网络的消化/运动节律的同步机制;在兴奋耦合网络,发现调控神经元从II型到I型兴奋转迁有助于螺旋波的生成并利用网络内I型神经元的特征(放电频率高、位于波头)进行了解释,建立了药物在视皮层诱发的螺旋波(癫痫)和兴奋类型转迁之间的理论联系;在海马网络,揭示了调控Ih流有助维持于?节律(4-12Hz)的同步程度和频率范围,并利用抑制耦合电流激活Ih通道进行了解释。研究结果给出了运动节律和脑皮层节律及功能的调控机制,建立了神经元和网络动力学行为之间的整合关系。(3)在脑层次对功能磁共振数据(BOLD信号)进行了功能连接的样本熵和格兰杰因果关系分析,识别了参与精神疾病和大脑决策的脑区及网络特征,包括:发现精神分裂症患者的静息态的样本熵在枕叶高于普通人且与疾病的严重程度相关,有助于理解患者的视觉信息处理功能异常;发现了从静息态变化到任务态时,精神分裂症患者的右侧前脑岛叶(突显网络)到左侧额中回(决策控制网络)和左侧楔前叶(默认网络)的因果关系显著增加,不同于普通人的前者增加后者降低,揭示了病人的脑网络和脑区间的失匹配;利用新的时变分析方法,发现人在实验中采用"策略性欺骗"方式讨价还价时,相对于"渐进"和"保守"方式,从大脑颞顶联合区到背外侧前额皮层区域的因果关系增强,揭示了参与大脑决策的脑区间的信息流向。此外,揭示了神经系统表现出的不同于线性系统的传统概念的非线性特征,比如抑制性作用可以增加放电频率和将静息变为放电而增强电活动、多重同相同步而不仅是反相同步。最后,对神经动力学的今后发展方向-比如神经系统的运动控制原理及应用-提出展望。研究结果丰富了动力学的内涵,拓展了动力学的研究范畴,服务于脑科学的基础和应用研究,比如揭示感觉信息处理机制、认识脑功能和诊断脑疾病、以及调控运动控制功能等。
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第四届全国神经动力学学术会议摘要集
2018年

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