Hodgkin-Huxley神经元同步的迭代学习控制

由于神经元模型和参数具有不确定性,加大了许多控制算法的应用难度,而迭代学习控制不需要精确的数学模型,因此适合神经元网络同步的控制。针对Hodgkin-Huxley(HH)神经元的同步控制问题,提出了基于PI型迭代学习控制算法。对四种不同情况下主从神经元同步控制进行仿真,结果表明,施加控制后从神经元能够迅速跟踪主神经元的动力学行为。研究结果证实了该控制算法的可行性和有效性。

无噪声Hodgkin-Huxley神经元对正弦信号的响应

研究了无噪声影响下的Hodgkin Huxley神经元在正弦信号刺激下的动力学行为 ,并利用“魔梯”图和峰峰间期分布图来分别描述。数值模拟结果表明 ,当信号振幅一定时 ,神经元的发放情况随频率而改变 ;当信号的频率一定时 ,峰峰间期分布随振幅而改变 ,相应地 。

双层Hodgkin-Huxley神经元网络中的随机共振

随机共振是一种非零噪声优化系统响应的现象。运用信噪比的评价方式,研究单个Hodgkin-Huxley神经元及其所构建的双层神经元网络中的随机共振,来模拟生物感觉系统中检测微弱信号的随机共振现象。结果表明,单个神经元在阈值下存在噪声优化系统检测性能的随机共振现象,但是最优的噪声强度却随外部信号性质的改变而变化;双层神经元网络不但可以在固定的噪声强度上对一定幅度范围内的阈下信号进行优化检测,而且噪声的存在并没有降低网络对阈上信号的检测能力。

Hodgkin-Huxley神经元系统的随机动力学研究

真实的神经元是处在一个充满噪声的复杂生物环境之中 .这些内噪声对单个神经元动作电位发放的影响是当前热点之一 .针对神经生物学中的 Hodgkin-Huxley方程描述这一经典的理论模型 ,将其转化为随机微分方程形式 ,利用随机路径分析方法探讨了内噪声对神经元动作电位发放动力学过程的作用 .理论结果表明 ,内噪声存在时动作电位的发放形式偏离无噪声时的概率很小 .初步认为内噪声对动作电位发放过程的影响可以忽略 。

Hodgkin-Huxley神经元体系分岔特性的理论研究

本文采用Hodgkin-Huxley (HH)神经元耦合系统为研究对象,通过计算机仿真模拟探讨体系内外环境中的噪声、耦合强度及系统尺度等因素对神经细胞分岔特性的影响。研究发现,一方面,在确定系统尺度和耦合强度的耦合体系中,增加噪声强度能够使神经元的分岔临界电流值降低,这表明适当的噪声有利于提高神经系统对外部微弱信号的响应能力。另一方面,耦合强度的增加会使得分岔点相应增大,而耦合单元数的增加则会使分岔点有所降低,表明合适的系统尺度和耦合强度有利于信息的传递。对分岔特性的深入了解,有助于理解这些因素对体系动力学行为调控作用规律和内在机理。其成果将为了解大脑神经网络的复杂功能以及与病理状态之间的关系提供新的启示。

Hodgkin-Huxley神经元反转电势变化对动作电位的影响

目的:运用数值模拟的方法研究离子通道反转电势参数变化对神经元发放动作电位的影响。方法:参考生理实验结果,运用Simulink软件分别对钠离子通道、钾离子通道和漏通道反转电势偏离标准值±10%、±20%、±30%下的Hodgkin-Huxley神经元模型进行建模,施加相同的刺激电流,得到神经元动作电位的响应结果。结果:3个通道的反转电势E_(Na)、E_K、E_l太小时,神经元不能正常发放连续的动作电位。在一定范围内增加时,E_(Na)、E_K、E_l都会使相同时间段内神经元动作电位的发放个数增加。并且当E_K变化导致神经元异常放电时,可以通过调节ENa来使神经元恢复正常放电。结论:离子通道反转电势的异变导致神经元的异常放电,这可能是离子通道疾病的病因。模拟结果表明离子通道疾病的治疗可以在多离子通道的参数调节上同时进行,这为其致病机理和临床治疗等研究提供了一定的思路和方法。

抑制性自突触增强Hodgkin-Huxley神经元的随机共振

本文由Hodgkin-Huxley神经元模型研究了抑制性自突触增强随机共振的反常现象。当神经元不含抑制性自突触时,高斯白噪声能诱导神经元产生一次随机共振。当在神经元中引入抑制性自突触后,抑制性自突触中的时滞能诱导神经元产生多次随机共振。更重要的是,当抑制性自突触中的时滞取值合适时,抑制性自突触的电导既能增强随机共振也能削弱随机共振。抑制性自突触增强随机共振的现象与传统的抑制性作用压制神经元的活动形成鲜明的对比,因此抑制性自突触增强随机共振的现象丰富了非线性动力学的内涵。

扰动条件下Hodgkin-Huxley神经元模型方程的数值解法

总结神经元结构及其电活动的数学模型,以典型的Hodgkin-Huxley的数值计算为例分析该类方程的计算方法。

基于Hodgkin-Huxley模型的神经元网络信息编码模式对比

目的:基于Hodgkin-Huxley(HH)神经元模型的神经元网络信息编码模式提出两类不同的信息编码方法对比。方法:采取HH神经元模型和化学突触,利用数值模拟的方法搭建不同拓扑结构的生物神经元网络,通过平均频率编码和峰峰间隔编码(ISIs)两种信息编码方法对比研究在正弦波信号和随机音频信号刺激下平均频率编码和ISIs编码的特异性,分析不同刺激信号下神经元网络的信息编码模式。结果:神经元网络的信息编码模式与刺激信号类型具有相关性:当刺激信号为连续的周期信号时,神经元网络会产生与刺激信号对应的具有周期性的放电序列;当刺激信号为随机信号时,神经元网络的放电率会随着刺激信号强度发生变化,刺激信号强度越大,动作电位发放率越高。在同一刺激信号下,神经元网络的拓扑结构会影响神经元网络放电序列的时间结构。结论:神经元网络信息编码模式与刺激信号相关,不同拓扑结构的神经元网络放电序列时间结构不同。ISIs编码方法精确度更高,包含的信息量更大,与平均频率编码相结合的编码方法能够有效表达神经元网络在刺激信号下信息编码模式的动态改变。

β淀粉样蛋白对缺氧缺血性脑损伤新生鼠神经元凋亡影响的实验研究

目的:通过建立新生大鼠缺氧缺血性脑损伤(HIBD)模型,以β淀粉样蛋白(Aβ)为切入点,研究其在模型的表达以及与神经元凋亡的关系,探讨Aβ在新生鼠缺氧缺血性脑损伤模型中对神经元的作用及机制。方法:建立10日龄新生大鼠缺血性脑损伤模型,模型后2、4、8、24 h心脏灌注,分别检测脑组织中Aβ、脑内淀粉样前体蛋白(APP)、β-分泌酶(BACE1)、Caspase-3、Cleaved caspase-3、B淋巴细胞瘤-2(Bcl-2)的蛋白表达,BACE1的mRNA表达。使用BACE1抑制剂干预,实验分为三组,缺氧缺血组、抑制剂组和溶剂组,抑制剂组在缺氧缺血后即给予BACE1抑制剂AZD3293处理24 h后再次检测以上指标。结果:APP、Aβ的蛋白表达、BACE1的蛋白表达和mRNA水平在建模后呈时间依赖的上升,24 h达到高峰。同时,促凋亡蛋白Cleaved caspase-3在建模后也呈时间依赖的上升,24 h达到高峰。而在缺氧缺血2 h后,凋亡抑制蛋白Bcl-2的蛋白水平显著升高(P<0.05)。之后逐渐降低,24 h最低。当使用BACE1抑制剂后,Aβ及BACE1在脑组织中的表达显著下降(均P<0.05),而BACE1mRNA的表达没有变化(P>0.05)。同时促凋亡蛋白Cleaved caspase-3的表达明显下降(P<0.05),同时,Bcl-2蛋白的表达也显著升高(P<0.05)。结论:在新生鼠HIBD时Aβ产生增多,应用BACE1抑制剂可降低Aβ的表达,增加Bcl-2的表达,减轻神经元凋亡。

养阴宁神方对去势小鼠海马神经元突触的可塑性调节

目的观察养阴宁神方对雌性小鼠去势后认知功能的影响。方法将60只C57BL/6J雌性小鼠随机分为假手术组,模型组,雌激素组,低、中、高剂量组,每组10只。假手术组仅切开皮肤和腹膜,不摘除小鼠的卵巢;其余各组均进行双侧卵巢切除术。假手术组、模型组均给予等容量的生理盐水(0.1 mL/10 g),雌激素[雌二醇(estradiol,E2),0.09 mg/kg]组及低剂量组(9.459 g/kg)、中剂量组(18.459 g/kg)、高剂量组(36.99 g/kg)灌胃药液,均灌胃3周。记录小鼠术后伤口愈合时间,去势前、去势1周、去势4周进行水迷宫潜伏实验和穿梭实验测试小鼠的学习记忆功能。采用ELISA法测定血清E2含量;HE染色观察小鼠海马神经元的形态;尼氏染色观察海马神经尼氏染色阳性细胞的数量;共聚焦显微镜下观察小鼠海马神经元细胞超微结构情况。结果与假手术组相比,模型组伤口愈合时间延长(P<0.05);与模型组、雌激素组及低、高剂量组比较,中剂量组伤口愈合时间缩短(P<0.05)。去势1周,与假手术组比较,模型组、雌激素组及低、中、高剂量组逃避潜伏期延长、穿梭次数减少(P<0.05)。去势4周,与假手术组比较,模型组逃避潜伏期延长、穿梭次数减少(P<0.05);与模型组相比,雌激素组及低、中、高剂量组逃避潜伏期缩短、穿梭次数增加(P<0.05)。去势4周,与假手术组比较,模型组E2浓度明显降低(P<0.01);与模型组比较,雌激素组及低、中、高剂量组E2浓度明显增高(P<0.01)。尼氏染色显示,与假手术组比较,模型组尼氏阳性细胞数减少(P<0.01);与模型组比较,雌激素组及低、中、高剂量组尼氏阳性细胞数增加(P<0.01)。HE染色显示,假手术组,雌激素组,低、中、高剂量组锥体神经元增多,且突起明显;模型组锥体神经元较少、颗粒细胞较多。共聚焦显微镜下见,假手术组,雌激素组,低、中、高剂量组海马神经元囊泡和突触粗面内质网结构增多;模型组海马神经元囊泡和突触减少。结论养阴宁神方可能通过提高血浆E2水平、改善海马神经元突触形态和功能可塑性、增加去势小鼠的认知功能,从而发挥脑保护作用。

蓝斑核谷氨酸能神经元参与调节小鼠体重

下丘脑是参与进食调控的重要脑区,具有复杂的环路调控机制。然而,是否存在下丘脑以外同样发挥体重调节功能的神经核团尚不清楚。本试验利用神经环路示踪技术,鉴定向背肩胛棕色脂肪组织(interscapular brown adipose tissue, IBAT)发送神经元投射的神经元类型和分布,探究中枢神经元及神经环路调节能量稳态的形态学基础。首先通过报告基因和逆行示踪识别囊泡型谷氨酸转运体2(vesicular glutamate transporter 2, VGlut2)和细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinase, ERK)神经元,顺行示踪试验拓展VGlut2神经元发送神经支配的大脑区域。化学遗传技术验证VGlut2免疫阳性神经元的体重和采食调控作用。结果显示:LC^(VGlut2::ERK)神经元向IBAT发送密集的神经支配信号。ERK免疫阳性神经元富集表达在LC,可作为LC特异性标记物。LC^(VGlut2)神经元向纹状体(neurons project to the striatum, CPu)、第二运动皮层(secondary motor cortex, M2)、下丘脑腹内侧核(ventromedial hypothalamic nucleus, VMH)和迷走神经背核(dorsal motor nucleus of the vagus, DMV)发送神经元投射。化学遗传激活LC^(VGlut2)神经元显著降低小鼠体重(P=0.016 5)和采食(P=0.029 0)。综上,LC^(VGlut2)神经元参与小鼠的体重调节过程。鉴定除下丘脑室旁核(paraventricular nucleus of hypothalamus, PVN)以外的谷氨酸能神经元及调节体重的下游神经环路,将进一步加深对于摄食行为和摄食过程中神经调控机制的了解,为研究和干预肥胖相关的疾病提供新思路。

miR-124通过抑制TLR4/NF-κB/CCL2对脑梗死大鼠神经元凋亡的影响

目的探讨微小RNA(miR)-124通过抑制Toll样受体(TLR)4/核因子(NF)-κB/CC类趋化因子配体(CCL)2对脑梗死(CI)大鼠神经元凋亡的影响。方法通过线栓闭塞大脑中动脉法建立CI大鼠模型60只,以随机数表法平均分为5组:模型组、miR-124激活剂(miR-124 agomir)组、TLR4过表达质粒组、miR-124 agomir阴性对照+空载质粒组、miR-124 agomir+TLR4过表达质粒组,另取12只大鼠只分离颈动脉,作为假手术组。分组干预后,评测大鼠神经功能缺损情况,比较各组神经功能缺损评分;采用三苯基氯化四氮唑(TTC)染色检测大鼠CI情况,比较各组CI面积;采用TUNEL染色检测海马神经元凋亡情况,比较各组海马神经元凋亡率;采用试剂盒测量各组血清活性氧(ROS)及炎症因子环氧合酶(COX)-2、白细胞介素(IL)-17水平;采用实时荧光定量聚合酶链反应(PCR)实验检测各组脑组织miR-124表达;采用Western印迹实验检测各组脑组织凋亡及TLR4/NF-κB/CCL2通路蛋白表达。结果与假手术组比较,模型组、miR-124 agomir阴性对照+空载质粒组、miR-124 agomir+TLR4过表达质粒组脑组织miR-124与B淋巴细胞瘤-2蛋白(Bcl-2)蛋白表达水平显著降低(P<0.05),神经功能缺损评分、CI面积、海马神经元凋亡率、血清ROS及炎症因子COX-2、IL-17水平、脑组织Bcl-2相关X蛋白(Bax)、TLR4、核内NF-κB p65、CCL2蛋白表达水平显著升高(P<0.05)。与模型组、miR-124 agomir+TLR4过表达质粒组分别比较,miR-124 agomir组脑组织miR-124与Bcl-2蛋白表达水平均显著升高(P<0.05),神经功能缺损评分、CI面积、海马神经元凋亡率、血清ROS及炎症因子COX-2、IL-17水平、脑组织Bax、TLR4、核内NF-κB p65、CCL2蛋白表达水平均显著降低(P<0.05),而TLR4过表达质粒组脑组织miR-124与Bcl-2蛋白表达水平均显著降低(P<0.05),神经功能缺损评分、CI面积、海马神经元凋亡率、血清ROS及炎症因子COX-2、IL-17水平、脑组织Bax、TLR4、核内NF-κB p65、CCL2蛋白表达水平均显著升高(P<0.05)。与模型组相比,miR-124 agomir阴性对照+空载质粒组各指标水平无显著变化(P>0.05)。结论miR-124可通过下调TLR4/NF-κB/CCL2通路蛋白表达,抑制炎症,减轻脑组织梗死及海马神经元凋亡,修复CI大鼠神经功能。

热刺激后小胶质细胞细胞外囊泡对神经元的损伤作用

目的探究热刺激后小胶质细胞细胞外囊泡对神经元损伤的影响。方法热刺激BV2小胶质细胞后收集上清,通过不同的超速离心速度获取细胞外大囊泡和小囊泡。利用纳米粒度分析仪检测粒径,利用Western blot检测囊泡上TSG101、CD63和flotillin-1的表达。PKH67标记BV2来源的囊泡后与N2a细胞共孵育,检测神经元对小胶质细胞细胞外囊泡的摄取情况。分别将热刺激后BV2来源的大囊泡和小囊泡与N2a共孵育,通过CCK-8、细胞外乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase,LDH)、台盼蓝染色和TUNEL染色法评价热刺激后N2a的损伤情况。结果小囊泡粒径介于30~120 nm,高表达TSG101和CD63,大囊泡粒径介于90~1000 nm,高表达flotillin-1;BV2来源的细胞外囊泡可被N2a细胞摄取并参与热刺激对N2a细胞损伤的调节,其中CCK-8检测结果表明小胶质细胞来源的大小囊泡均能降低热刺激后N2a细胞的活力(P<0.05)。LDH检测、台盼蓝染色及TUNEL检测结果表明大囊泡(P<0.05)和小囊泡(P<0.01)均能显著提高热刺激后N2a细胞LDH的释放水平、N2a细胞的蓝染水平及凋亡程度,且小囊泡处理组中N2a细胞的LDH释放水平、蓝染和凋亡水平高于大囊泡处理组。结论热刺激后小胶质细胞通过细胞外囊泡加剧了神经元的损伤。

成人型神经元核内包涵体病影像学表现

神经元核内包涵体病(neuronal intranuclear inclusion disease,NIID)是较为罕见的进行性神经系统退行性疾病,可见于任何年龄,以神经系统及内脏器官细胞核中存在嗜酸性透明包涵体[1]为特征,而临床表现缺乏特异性,现有针对其影像学表现的报道多为个案。本研究报道17例成人型NIID影像学表现。

银杏叶提取物对帕金森病大鼠纹状体神经元损伤的保护作用

目的探讨银杏叶提取物对帕金森病大鼠纹状体神经元损伤的保护作用。方法取60只大鼠随机分为造模组和假手术组,造模组大鼠通过注射6-OHDA建立帕金病大鼠模型,将造模成功的大鼠随机分为模型组、氟西汀组(15 mg/kg)和银杏叶提取物低、中、高剂量组(25、50、100 mg/kg),灌胃给药21 d。观察大鼠旋转行为和纹状体神经元损伤情况;检测纹状体神经元神经递质水平及其凋亡情况;检测纹状体神经元caspase3、Bax、Bcl-2基因和蛋白表达。结果与假手术组比较,模型组大鼠纹状体神经元数量减少(P<0.05),形态严重破损,30 min旋转次数、纹状体神经元凋亡率和caspase3、Bax mRNA及蛋白表达升高(P<0.05),DA、HVA、DOPAC、5-HT水平和Bcl-2 mRNA及蛋白表达降低(P<0.05);与模型组比较,氟西汀组和银杏叶提取物各剂量组大鼠纹状体神经元数量升高(P<0.05),损伤情况得到改善,30 min旋转次数,纹状体神经元凋亡率和caspase3、Bax mRNA及蛋白表达降低(P<0.05),DA、HVA、DOPAC、5-HT水平和Bcl-2 mRNA及蛋白表达升高(P<0.05)。结论银杏叶提取物能有效减轻帕金森病大鼠纹状体神经元损伤,缓解病情进展,其机制可能与调控caspase3/Bax/Bcl-2通路有关。

Homer1b/c通过内质网功能调节由谷氨酸兴奋性毒性损伤诱发的小鼠海马神经元HT22细胞自噬

目的研究Homer1b/c蛋白在谷氨酸兴奋性毒性损伤诱发的细胞自噬中的作用及机制。方法选用小鼠海马神经元HT22细胞,通过500μmol/L L-谷氨酸处理建立细胞损伤模型。用siRNA慢病毒转染方式下调Homer1b/c表达,用10μmol/L钙离子螯合剂BAPTA-AM、10 mmol/L内质网应激抑制剂4-PBA分别抑制细胞内钙离子释放和内质网应激后,使用蛋白质印迹法检测细胞中Homer1b/c蛋白,自噬效应蛋白[beclin-1、微管相关蛋白1轻链3(LC3)]及内质网应激标志蛋白[C/EBP同源蛋白(CHOP)、葡萄糖调节蛋白78(GRP 78)]的表达水平。结果L-谷氨酸处理HT22细胞12 h后,细胞中beclin-1表达和LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值均较对照组升高(均P<0.05);与转染对照组相比,下调Homer1b/c表达可降低细胞中beclin-1表达和LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值(均P<0.05);抑制细胞内钙离子释放和内质网应激均能降低细胞中beclin-1表达和LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值(均P<0.05);下调Homer1b/c表达后,抑制细胞内钙离子释放和内质网应激未能进一步降低细胞中beclin-1表达和LC3-Ⅱ/LC3-Ⅰ比值。结论Homer1b/c能够调节谷氨酸兴奋性毒性损伤诱发的细胞自噬,其调节作用可能与内质网功能有关。

干扰NIX通过抑制自噬缓解脊髓神经元的缺血再灌注损伤

目的观察线粒体外膜蛋白NIX能否通过抑制自噬缓解脊髓神经元缺血再灌注损伤。方法利用H_(2)O_(2)(200μmol/mL)处理分离的原代脊髓神经元,以构建体外缺血再灌注模型,通过转染shNIX干扰NIX的表达,并通过流式凋亡检测与CCK-8增殖检测观察脊髓神经元的凋亡情况,PCR检测NIX基因的转录水平,蛋白免疫印迹法检测NIX、LC3与Beclin蛋白的表达水平。结果shNIX能显著下调NIX基因的转录水平与蛋白的表达水平,抑制效果明显,用于后续的实验操作。流式凋亡检测与CCK-8增殖检测表明,缺血再灌注损伤诱导脊髓神经元出现凋亡,降低其增殖速度。缺血再灌注损伤促进NIX、LC3和Beclin的表达。shNIX使缺血再灌注损伤诱导脊髓神经元的凋亡减少,促进了细胞的增殖,并且使LC3和Beclin的蛋白表达减少。结论干扰NIX通过抑制自噬减弱了缺血再灌注诱导的脊髓神经元损伤。

分数阶光敏神经元的动力学特性分析及其同步研究

神经元是神经系统的基本单位,神经元模型的准确性影响对其本质特征的分析和理解。该文研究了由分数阶电容和电感构成的分数阶光敏FitzHugh-Nagumo(FHN)神经元电路。利用分岔图、相轨迹图和时间序列图分析了分数阶光敏神经元模型的动力学特性。研究发现,随着分数阶阶次的降低,分数阶光敏神经元的活跃度增加。当选取不同参数时,神经元系统可以诱发不同的放电模式,如周期放电态、混沌放电态和尖峰放电态。此外,利用电突触耦合的方式连接两个分数阶光敏神经元。通过调整耦合强度,可以实现分数阶光敏神经元系统之间的相位同步和完全同步。最后,采用dSPACE验证了外部光信号对神经元兴奋性的调制作用。

成人型神经元核内包涵体病脑MRI表现

目的:探讨成人型神经元核内包涵体病(NIID)的典型MRI表现。方法:收集10例临床确诊为成人型NIID患者的脑MRI资料,分析病变的分布、形态、信号特征。结果:10例NIID患者MRI表现为对称分布的多发融合状脑白质病变,多分布在皮层下及侧脑室旁,9例患者DWI序列皮髓质交界区呈曲线样高信号。10例中4例累及胼胝体,5例累及外囊,2例累及小脑蚓部旁白质,1例累及双侧小脑中脚;8例患者伴脑萎缩。结论:成人型NIID MRI表现具有一定特征,皮层下及侧脑室旁对称分布的脑白质病变及DWI序列上皮髓质交界处曲线样高信号有助于NIID的诊断。