多参数电刺激下神经元放电节律的研究

1、多参数电刺激下神经元放电节律的研究摘 要非线性动力学系统有复杂和简单之分，其中复杂的非线性动力学系统之一就是神经元，神经元在不同参数的电刺激的时候，神经元就会产生比较复杂的动作电位的不同序列模式，有周期峰放电、混沌放电、交替放电、周期簇放电等多种丰富的放电节律，不同的刺激信号被神经元不同的放电节律所代表。在分析和讨论外电场下细胞膜电生理特性的通常基础上，本文建立了一个有用模型， 该模型是基于神经元建立的，各种振幅和不一样的频率都会对神经元产生明显的影响。多方研究之后可以发现神经元被多种多样的不同交流外电场刺激时神经元的动态行为是不一样的：放电规律会随着频率的变化而变化，频率不一样（比如增大），放电节律也会不一样（簇放电到峰放电）；峰与峰的间期序列根据两种周期放电模式的变换呈现的特征是整数倍关系。我们对其放电节律的深入研究和探讨都对于神经信息进行不同的编码有着十分重要的意义，我们对神经元的研究结果，进一步揭示了交流外电场对神经元的不同放电节律的作用的不同影响，该题目的研究在外电场和神经系统兴奋程度的联系和开发相关疾病的治疗等方面意义重大。关键词：神经元；放电节律；交流外电场；HH模型Ab

2、stractNeurons are complex nonlinear dynamic systems ,A complex action potential sequence pattern can be generated under different parameters of electrical sti-mulation ,(Alternating discharge、chaotic discharge、periodic peak discharge、period-ic cluster discharge, etc.)Different firing rhythms of neurons represent differe-nt stimuli.On the basis of analyzing the electrophysiological characteristics ofcell membrane under external electric field, the neure model under external electric field was est

3、ablished .The dynamic behavior of HHneurons underthe action of different amplitude and frequency external electric field was studied.With the increase of frequency,the reverse addition period bifurcation sequence from cluster discharge to peak discharge and chaotic discharge is shown in the discharge rhythm.There is a new alternating rhythm in the process of periodic rhythm transition. The discharge sequence is the alternation of two periodic discharge modes, and the interpeak sequence has the c

4、haracteristic ofinteger multiple.The study of its discharge rhythmis of great significance forthe study of neural information coding, The study of this topic is of great significance for the excitement of external electric fields and nervous systems and the development of related disease treatments.Keywords: neure ; Discharge rhythm ; Ac external electric field ;HH model目录摘 要1Abstract2第1章 绪 论31.1 课题背景31.1.1国内发展现状31.1.2国外发展现状41.2研究的目的51.3研究的意义5第2章 放电节律研究的理论基础72.1 生物神经元72.2动作电位的基本概念82.2.1 动作电位的产生8

5、2.2.2 动作电位的特点102.3神经元的静息电位112.4 神经元模型建立112.4.1 HH经典模型112.4.2外电场作用下的细胞模型142.4.3外电场下HH模型152.5神经元的放电节律162.6本章总结17第三章 MATLAB基本知识183.1 MATLAB组成及功能特点183.1.1 MATLAB平台的组成183.1.2 MATLAB功能193.1.3 MATLAB特点203.2 Simulink优点及建立223.2.1 Simulink优点223.2.2 Simulink建立233.2.3 Simulink建立的基本步骤253.3 本章小结25第四章 多参数电刺激下神经元放电节律的研究264.1刺激频率对神经元放电节律的影响264.2刺激振幅对神经元放电节律的影响28设计总结与存在的问题33致谢34心得体会35参考文献35第1章 绪 论1.1 课题背景目前，社会竞争压力越来越大，人口和家庭结构变化越来越明显、抑郁和痴呆来源于老年人的比例变多、非法药品的出售和滥用、多数人口的自杀现象增多以及重多受到灾害的人群的心理危机感凸显等各个方面的问题日益增多和突出，有大部分大学生

6、的各种心理问题也会不断发生，且趋势也在不断上升。因此，我们必须通过有效的干预以及合理的进行控制这种神经精神类疾病的发生，这种情况已经刻不容缓，它不仅可以改善我国人民的健康状况和生活质量，而且可以降低我国的医疗支出的费用。虽然利用药物来预防和控制神经精神疾病是一种比较传统的方法，但是实践证明：药物治疗能给神经精神疾病带来一定程度上的疗效，但也存在着很多的不足之处。例如，对大脑用药的时候其余的正常脑区域也会受到药物的负面影响，这些药物会干扰到部分正常的脑区域进行的工作；然而药物也会对于多数具有抗药性的有关各种具有运动障碍的疾病，例如原发性震颤、帕金森症以及肌张力的异常等药物的治疗效果都表现为不佳的状态。研究学者们想要通过克服药物的治疗过程中所出现的各种各样的问题，人们则需要通过研究使用非药物性的神经刺激的不同方法来对具有神经功能性的疾病来进行相关的控制和具有针对性的治疗。1.1.1国内发展现状这些年来技术不断进步，我们国家的很多研究人员在建立关于神经细胞的数学模型方面颇有建树，不仅在国内，在国际上也得到了很多同行的认可。我国学者惠萍在20年前首次发现了具有非线性特征的HH模型，科学家们利用

7、HH模型具有很多种状态的特性解释清楚了为什么生物的细胞膜会表现出激发现象。2004年，学者刘青云等人针对白噪声设计实施了很多实验，最终表明如果噪音的分贝数达到一定的阀值，自共振现象就会相应而生。学者韩晓鹏等人在这一年基于HH模型也做了很多研究，他们得出的结论是单个的神经细胞到达临界值后会产生随机共振现象，但这只是单个神经细胞自己的作用，其对神经元网络（双层结构）判别临界值的能力影响甚微。八年后，研究人员刘少宝研究了噪声对K离子和Na离子的影响，结果表明：当K离子和Na离子的通道收到噪声影响后会对HH模型产生影响，不仅影响其空间模式，还会影响模型的时间模式。学者邓斌在2014年仿真模拟了主神经元和丛神经元的协同控制问题并最终得到了多种图像。主神经元在适当的算法的控制下可以表现出和丛神经元一样的放电情况。HH模型中参数众多，细胞膜的特性可以从模型中找到相应的参数和它对应，默认状态下这些参数对应的是能够使细胞膜活跃的动态性质。1.1.2国外发展现状过去的一段时间，国际上在研究神经组织与神经细胞的过程中，取得了越来越多的研究成果。最早在1791年，意大利科学家加尔瓦尼首次发现生物体中的带电现象

8、。60年后，科学家们发现不仅生物体带电，神经组织中的神经元也会出现电现象。之后科学家对神经组织对研究在上个世纪中期有来长足对进步。英国生物学家赫胥黎和霍奇金首次对生物放电现象进行了详细的解释，并提出来一个能准确描述其规律对数学模型，即HH模型。他们以大西洋枪乌贼为研究对象，重点研究其神经元的放电状况，然后对他们获得的数据进行拟合，并将这一结果发在了国际期刊上。他们的发现极大的鼓舞了后来的生物学家，这也成为生物学发展的一个里程碑，从此以后，很多生物学家进行研究的同时，不仅要做出相应的实验，还要找到可以反映实验情况的数学模型，这极大地改变了科学研究的方式。到了20世纪末，科学家们基于HH模型做的大量的研究，他们在研究中发现，只要有轻微的耦合作，神经细胞中的神经元就会产生放电现象，而且这种放电现象呈现一定的规律。而且研究人员发现，如果这种耦合是兴奋性的，那么在这种情况下神经元的放电现象就会减弱。科学家在1998年又发现基于HH模型的神经元在噪声刺激下会产生相干共振，这又是一个新发现。转眼来到21世纪，外国科学家在2005年发现当外界有电信号刺激到神经细胞以后，神经组织中的信号传输速率就会受到

9、一定程度上的影响。2013年又有两个科学家发现，。当给定一个刺激信号，如果这个刺激信号没有达到它的阀值，那我在这种情况下HH模型的性质是没有任何变化的。因此科学界得到如下结论：如果外界的刺激频率没有达到神经网络中的阀值，那么神经网络中就会产生一个和这个刺激频率以相匹配的一个信号，二者之间有明显的相关性。到了第二年，也就是2014年，科学家们研究了鲨鱼的神经系统，科学家发现鲨鱼能够对外界的噪音造成产生反应，即使这个刺激很微弱。这也说明鲨鱼的神经系统相当发达，灵敏。这也帮助鲨鱼驰骋大海，轻易的捕获猎物。然后科学家们又根据HH模型研究分析来鲨鱼的神经系统，对鲨鱼大脑的工作机制有了深入的了解。这种研究方法对以后人类的研究也大有裨益。1.2研究的目的神经细胞和神经胶质共同构成了人体的神经系统，其中，在人体中主要起主导作用的是神经系统。神经系统在人体内发挥着巨大的作用，对人体各种信号之间传递有着不可或缺的作用。神经系统的最基本单位是神经元，神经元是神经系统中信号传递的最基本单位，当神经元传递信号时神经元自身会产生放电行为，传递的信号不同，放电行为也会有所差异。因此就可以通过实验分析神经元的放电规律进而解析出神经元传递的信号。这对于在不同刺激状态下神经信息在神经系统中的编码规律的研究意义重大。而且最重要的是，这项研究不仅可以应用于生物学，还可以用于临床医学，对现代神经学疾病的研究也有很大的作用。现如今，人们越来越多的疾病和疼痛来自于电场，神经元的生理变化和外电厂之间的联系如果能研究明白，那对于这类疾病的治愈将很有帮助。大量的实验已

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