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《天津大学》 2010年
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神经元编码的峰放电起始动态机制研究

金淇涛  
【摘要】:癫痫等神经疾病的治疗是现代科学的研究难点之一。近年来,已采取多种理论和实验方法对癫痫等神经疾病进行治疗,如针灸、TMS(经颅磁刺激)、施加药物等,均取得了不同程度的效果。目前研究发现:这些神经疾病产生的微观基础是大脑内神经元的放电模式,也即神经元编码在外界刺激作用下发生了改变;同时,在针刺实验中已经发现:不同的中医针刺手法可能影响神经元放电的起始动态,从而使神经元编码发生改变。因此峰放电起始动态的机制可能是一种重要的神经元编码形式,研究外加刺激如何改变神经元峰放电起始动态的机制具有重要的生物物理意义。 本文在对针刺神经元实验数据进行非线性时间序列分析的基础上,根据Hodgkin-Huxley (HH)、Morrisr-Lecar (ML)等神经元模型,建立一个可以复现实验数据中各种神经元放电模式的现象学神经元模型。在该模型中确定一个关键参数,即仅通过改变这个参数使神经元表现出实验数据中所有的放电模式。对建立的模型采用相平面和分岔分析方法,分析针刺神经元所产生不同放电模式;采用快慢电流分离方法,研究模型中亚阈值电位处不同离子电流的竞争与神经元峰放电起始动态的联系,揭示针刺神经编码产生的生物物理机制。 在现象学模型中加入外电场作用,通过相平面和分岔分析研究直流外电场作用现象模型的放电机制,从二维相平面上的相轨迹图和单参数分岔图中,得到了外电场强度改变所导致的放电模式变化的非线性动力学规律。提出外电场作用对阈下不同离子电流的竞争产生影响的思想,进而研究外电场对神经元峰放电起始动态的影响。在现象学模型中加入导致神经元放电具有适应性的离子通道和相关变量,构成高维模型,采用相平面投影和分岔分析方法,分析加入该离子通道后神经元放电模式变化的非线性动力学规律,得到了该离子通道与原模型中离子通道的不同竞争结果与神经元峰放电起始动态的联系。在现象学模型中加入Wash-out滤波器,对神经元模型的分岔点位置进行控制。通过对二维相平面上的相轨迹图和单参数分岔图的详细分析,证明了控制作用对阈下不同离子通道的竞争的影响与神经元峰放电起始动态的关系。 通过上述研究,揭示了针刺、外加电场刺激、神经元适应性电流、Wash-out滤波器控制等作用下神经元放电模式变化的生物物理机制,并建立了神经元编码与神经元生物物理基础之间的桥梁,为针刺电信息编码及癫痫等神经疾病的诊断与治疗提供了新思路。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:R741

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