基于突觸可塑性的興奮性-抑制性平衡及放電率自穩(wěn)態(tài)機(jī)制研究.pdf

1、大腦皮層神經(jīng)元輸入包括興奮性和抑制性突觸電流，二者的平衡在皮層神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和信息處理調(diào)控中起到關(guān)鍵作用。神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)是神經(jīng)電活動的典型特征，是神經(jīng)信息整合、調(diào)整、傳遞的基礎(chǔ)，其有助于深入了解大腦皮層的功能機(jī)制。大量實驗研究表明突觸可塑性是大腦皮層建立和維持興奮性和抑制性平衡及神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)的重要途徑，但其具體機(jī)制仍不清楚、有待進(jìn)一步探明。基于以上背景，本文構(gòu)建反饋神經(jīng)回路模型，并在模型中引入突觸可塑性，通過該模型研

2、究基于突觸可塑性的神經(jīng)元興奮性-抑制性平衡以及放電率自穩(wěn)態(tài)機(jī)制。
　　本文首先建立了具有興奮性和抑制性反饋回路的神經(jīng)回路模型，模型主要由前向通路及興奮性與抑制性反饋回路構(gòu)成，同時在模型中引入了突觸可塑性。模型中的神經(jīng)元采用 Leaky Integrate-and-Fire（LIF）神經(jīng)元模型的實現(xiàn)形式，突觸可塑性采用放電時刻依賴的可塑性規(guī)則（spike-timing-dependent plasticity，STDP）?；趩蝹€神

3、經(jīng)元的LIF數(shù)學(xué)機(jī)理和突觸可塑性模型的基本原理實現(xiàn)了反饋神經(jīng)回路模型，并依據(jù)神經(jīng)解剖學(xué)數(shù)據(jù)確定模型中相關(guān)參數(shù)值。
　　應(yīng)用反饋神經(jīng)回路模型研究基于突觸可塑性的神經(jīng)元興奮性和抑制性突觸電流平衡問題。首先分別采用興奮性突觸電流與抑制性突觸電流之和、興奮性突觸電流絕對值和抑制性突觸電流散點圖、興奮性突觸電流絕對值與抑制性突觸電流比值等方法對興奮性-抑制性平衡進(jìn)行定量研究，研究結(jié)果表明在突觸可塑性的調(diào)控下神經(jīng)元興奮性和抑制性突觸電流可實現(xiàn)

4、精確的平衡。然后研究了神經(jīng)元興奮性-抑制性平衡的魯棒性問題，研究表明在存在輸入干擾或參數(shù)擾動的情況下，神經(jīng)元仍能維持其興奮性-抑制性平衡，表明神經(jīng)元興奮性-抑制性平衡具有很強(qiáng)的魯棒性。最后初步分析了基于抑制性突觸可塑性的神經(jīng)元興奮性-抑制性平衡機(jī)制。
　　應(yīng)用反饋神經(jīng)回路模型研究基于突觸可塑性的神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)問題。首先采用前向通路神經(jīng)元膜電位和放電率統(tǒng)計分析的方法對神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行定量分析；研究表明在突觸可塑性的調(diào)控

5、下，神經(jīng)元的實際放電率等于目標(biāo)放電率，呈現(xiàn)明顯的放電率自穩(wěn)態(tài)特性。然后研究了神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)特性的魯棒性問題，表明在存在輸入干擾或參數(shù)擾動的情況下，神經(jīng)元仍能維持目標(biāo)放電率。其次從突觸可塑性的學(xué)習(xí)規(guī)則入手，定量分析了放電率自穩(wěn)態(tài)機(jī)制，解釋了神經(jīng)元實際放電率等于目標(biāo)放電率的原因和放電率的變化過程。最后定性分析了神經(jīng)元興奮性-抑制性平衡與放電率自穩(wěn)態(tài)之間的關(guān)系，表明神經(jīng)元的興奮性和抑制性平衡與放電率自穩(wěn)態(tài)之間存在內(nèi)在聯(lián)系，表明二者的機(jī)制在

6、本質(zhì)是相同的。
　　討論部分的研究表明，對于興奮性與抑制性突觸均具有可塑性的情況，當(dāng)抑制性突觸學(xué)習(xí)率大于興奮性突觸學(xué)習(xí)率時神經(jīng)元才可取得興奮性-抑制性平衡及放電率自穩(wěn)態(tài)；如果突觸不具有可塑性，僅依靠反饋結(jié)構(gòu)神經(jīng)元并不能取得較精確的興奮性-抑制性平衡及神經(jīng)元放電率自穩(wěn)態(tài)；反饋回路中興奮性和抑制性神經(jīng)元數(shù)目越多越有利于取得較精確的興奮性-抑制性平衡及放電率自穩(wěn)態(tài)；突觸可塑性參數(shù)值對神經(jīng)元取得興奮性-抑制性平衡及放電率自穩(wěn)態(tài)的動態(tài)響應(yīng)速