偏头痛发作动力学与控制

偏头痛是严重致失能且全球影响广泛的复杂脑神经系统疾病,其发作预测与调节机理错综复杂,成为限制偏头痛临床诊疗规范化的一个基础性科学难题.相关的实验观测数据表明偏头痛发作过程显示出明显的多时空尺度非线性波动行为,然而目前有关偏头痛动力学的研究文献非常有限,理解偏头痛发作机理的统一理论框架仍然缺乏.本文综述了近年来偏头痛动力学建模分析与控制的研究进展,重点阐述了偏头痛先兆即皮质扩散性抑制波(CSD)传播的环路动力学行为及其分岔机理,以及偏头痛调控方案设计与疗效评估的神经计算方法,结合偏头痛理论研究现状展望了数据驱动的动力学建模分析、预测与调控策略的研究思路及其若干值得关注的问题.

耦合Hindmarsh-Rose神经元的同步放电模式及转迁

通过数值模拟和分岔分析,探究了具有不同放电模式的两电耦合Hindmarsh-Rose神经元的几乎完全同步,并研究了同步放电模式对单个个体的放电模式的依赖性.研究结果有助于我们更好地理解神经元放电模式转迁的动力学机理和生物学意义.

神经系统疾病与认知动力学(I):癫痫发作的动力学与控制

研究表明癫痫发作过程与神经系统本身的非线性动力学行为密切相关.因此,开展癫痫发作的非线性网络动力学建模与调控问题的研究,有助于理解癫痫临床表征的动力学机理和定位致痫灶网络,进而设计有效的网络调控策略.本文回顾了癫痫脑神经疾病网络动力学与控制方面的研究进展,系统总结了本文作者近年来在癫痫发作动力学建模分析及其调控等方面取得的研究成果.首先,基于海马齿状回CA3区环路神经元网络模型,分析了影响颞叶癫痫发作的分子和网络结构因素,阐释了癫痫发作转迁的动力学机制.其次,由于脑神经系统的集群编码特性,基于神经场模型和平均场模型建模方法完善了皮质-基底节-丘脑环路网络动力学理论框架,并基于此框架分析了失神癫痫发作转迁的动力学分岔机制,探讨了不同类型癫痫发作的转迁路径,发现了失神癫痫发作转迁的多稳态共存现象,揭示了时滞对失神癫痫同步发作的控制效果,设计了丰富有效的癫痫深脑刺激调控策略,给出了电刺激调控失神癫痫发作的动力学解释.最后,通过数据驱动的统计建模和神经元群模型动力学建模分析,提出了局灶癫痫致痫灶定位及寻找有效控制癫痫发作网络关键节点的理论新方法.这些研究成果为理解难治性癫痫发作动力学本质及在临床诊疗的应用方面提供重要理论支撑.最后对进一步研究给出若干建议.

神经系统疾病与认知动力学(Ⅱ):神经振荡与认知动力学

大脑神经系统具有从慢到快多种不同的振荡节律,这些节律振荡被认为参与了大脑多种功能的实现,其中高频的伽马同步振荡被认为与大脑的认知功能最为相关.本文阐述了生物学实验方面关于伽马振荡及其功能的研究进展,并针对实验中伽马振荡的频率敏感依赖于外部刺激特征的现象,综述了基于神经网络模型进行变频伽马振荡及其认知功能的动力学建模研究工作,解释了视觉刺激调控的变频率伽马振荡动力学产生机理,提出了基于同步抑制增强全局放电率对比度的神经认知机制.研究成果有助于理解神经系统同步振荡的产生机理及其认知作用,为大脑认知原理以及类脑智能的研究奠定基础.