神經(jīng)元集群自持續(xù)放電活動的仿真模型.pdf

1、生命是什么？腦是如何運作的？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這個復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，科學家們也努力通過各種科學方法去掌握它的發(fā)育過程與認知功能的原理。生物通過六億年的進化產(chǎn)生了由千億個神經(jīng)元相互聯(lián)結(jié)的復雜神經(jīng)元網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)更加復雜的認知活動。隨著科技的發(fā)展與人類對美好生活的追求，腦的功能原理與神經(jīng)系統(tǒng)疾病逐漸成為科學研究重點。
　　功能性的腦電活動一直是計算神經(jīng)科學的研究重點和研究難點。這些研究一般是在神經(jīng)生物學實

2、驗數(shù)據(jù)的基礎上，通過網(wǎng)絡重建的方式來模擬大腦中的一些神經(jīng)網(wǎng)絡活動現(xiàn)象，并分析網(wǎng)絡的一些動力機制。而神經(jīng)元集群的自持續(xù)放電(Self-sustained Firing)活動是大腦廣泛存在的一種神經(jīng)元網(wǎng)絡活動現(xiàn)象，被證實在大腦的工作記憶與目標導向等行為中有重要體現(xiàn)。根據(jù)有關(guān)腦電活動的研究結(jié)果，我們了解到自持續(xù)放電活動的突觸連接是一類功能性網(wǎng)絡連接，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)絡來模擬神

3、經(jīng)元集群的自持續(xù)放電活動。
　　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)絡節(jié)點，構(gòu)建了具有小世界特征的層次網(wǎng)絡仿真模型，在整個網(wǎng)絡中興奮性神經(jīng)元與抑制性神經(jīng)元以4:1的比例隨機排布。在合適的模型參數(shù)下，層次網(wǎng)絡能產(chǎn)生自持續(xù)放電活動，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)絡的平均發(fā)放頻率相對比較穩(wěn)定，個別層的發(fā)放頻率會呈現(xiàn)上下波動的結(jié)果。
　　在

4、分析網(wǎng)絡模型參數(shù)對自持續(xù)放電活動的影響中，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)活動中的整體發(fā)放頻率都會隨之先增長再達到飽和。然而隨著短路徑密度的增大，規(guī)模越大的神經(jīng)元網(wǎng)絡的整體發(fā)放頻率會增加得更多，這對于揭示大腦的功能性核團的功能原理具有重要意義。本文也進一步分析了膜電位的時間常數(shù)，興奮性神經(jīng)元的電導與抑制性神經(jīng)元的電導對自持續(xù)放電活動整體發(fā)放水平的影響，其結(jié)果與對單個神經(jīng)元的發(fā)放頻率的影響一致。
　　最后，應用能夠?qū)崿F(xiàn)