神經(jīng)元集群自持續(xù)放電活動(dòng)的仿真模型.pdf

1、生命是什么？腦是如何運(yùn)作的？人是怎樣做出選擇與決策的？這些問題驅(qū)使人們?nèi)ダ斫獯竽X這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，科學(xué)家們也努力通過各種科學(xué)方法去掌握它的發(fā)育過程與認(rèn)知功能的原理。生物通過六億年的進(jìn)化產(chǎn)生了由千億個(gè)神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)的復(fù)雜神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的認(rèn)知活動(dòng)。隨著科技的發(fā)展與人類對(duì)美好生活的追求，腦的功能原理與神經(jīng)系統(tǒng)疾病逐漸成為科學(xué)研究重點(diǎn)。
　　功能性的腦電活動(dòng)一直是計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的研究重點(diǎn)和研究難點(diǎn)。這些研究一般是在神經(jīng)生物學(xué)實(shí)

2、驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)重建的方式來模擬大腦中的一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)現(xiàn)象，并分析網(wǎng)絡(luò)的一些動(dòng)力機(jī)制。而神經(jīng)元集群的自持續(xù)放電(Self-sustained Firing)活動(dòng)是大腦廣泛存在的一種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)現(xiàn)象，被證實(shí)在大腦的工作記憶與目標(biāo)導(dǎo)向等行為中有重要體現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)腦電活動(dòng)的研究結(jié)果，我們了解到自持續(xù)放電活動(dòng)的突觸連接是一類功能性網(wǎng)絡(luò)連接，并且具有高聚合系數(shù)的小世界特性。于是我們希望通過構(gòu)建一類具有小世界特性的層次神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來模擬神

3、經(jīng)元集群的自持續(xù)放電活動(dòng)。
　　本文以非線性的整合發(fā)放(Integrate-and-Firing，IF)神經(jīng)元模型為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了具有小世界特征的層次網(wǎng)絡(luò)仿真模型，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中興奮性神經(jīng)元與抑制性神經(jīng)元以4:1的比例隨機(jī)排布。在合適的模型參數(shù)下，層次網(wǎng)絡(luò)能產(chǎn)生自持續(xù)放電活動(dòng)，其整體發(fā)放頻率在撤掉外部刺激之后的20s內(nèi)都比較穩(wěn)定。而層次內(nèi)部的小世界網(wǎng)絡(luò)的平均發(fā)放頻率相對(duì)比較穩(wěn)定，個(gè)別層的發(fā)放頻率會(huì)呈現(xiàn)上下波動(dòng)的結(jié)果。
　　在

4、分析網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)對(duì)自持續(xù)放電活動(dòng)的影響中，發(fā)現(xiàn)隨著突觸連接數(shù)量與短路徑密度的變大，自持續(xù)活動(dòng)中的整體發(fā)放頻率都會(huì)隨之先增長再達(dá)到飽和。然而隨著短路徑密度的增大，規(guī)模越大的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的整體發(fā)放頻率會(huì)增加得更多，這對(duì)于揭示大腦的功能性核團(tuán)的功能原理具有重要意義。本文也進(jìn)一步分析了膜電位的時(shí)間常數(shù)，興奮性神經(jīng)元的電導(dǎo)與抑制性神經(jīng)元的電導(dǎo)對(duì)自持續(xù)放電活動(dòng)整體發(fā)放水平的影響，其結(jié)果與對(duì)單個(gè)神經(jīng)元的發(fā)放頻率的影響一致。
　　最后，應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)