哺乳動物生物鐘在單細胞和多細胞水平上的動力學分析
發(fā)布時間：2021-03-18 09:53
哺乳動物的主時鐘位于視交叉上核神經元上,大約包含2萬個內在周期不同的神經元振子.依據視交叉上核神經元不同區(qū)域產生不同的多肽神經元,在解剖學上將視交叉上核神經元分成腹外側神經元和背內側神經元.腹外側神經元中生物鐘基因的表達沒有節(jié)律性,而背內側神經元中生物鐘基因的表達有節(jié)律性,腹外側神經元與背內側神經元通過神經遞質進行耦合.并且耦合方式的拓撲結構會影響哺乳動物生物鐘的周期和神經元振子間的同步行為.在已有的一些研究中討論過可以用復雜網絡的相關知識考慮耦合方式的拓撲結構,基于此,本文分析了神經元振子在四種不同耦合方式下的周期行為和同步行為.這四種耦合方式分別是All-to-All全連接網絡、Newman-Watts（NW）小世界網絡、Barab′asi-Albert（BA）無標度網絡、Erd?os-Re′nyi（ER）隨機網絡.基于修改的Goodwin模型,本文分析了單細胞水平下哺乳動物生物鐘動力學行為.并且發(fā)現最大生成速率影響著哺乳動物單個神經元振子的動力學行為.此外,本文還發(fā)現適當的光照強度不僅能夠降低哺乳動物單個神經元振子發(fā)生振蕩時最大生成速率的閾值,還能增大哺乳動物單個神經元振子周期與...
【文章來源】：河南大學河南省
【文章頁數】：49 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Goodwin模型的網絡結構示意圖,’→’表示促進作用,’’表示抑制作用.
哺乳動物生物鐘在單細胞和多細胞水平上的動力學分析圖2-2(a)單參數分岔圖.細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài),細虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定極限環(huán)和不穩(wěn)定極限環(huán)振動的最高點和最低點.(b)單參數分岔圖,虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài),實線、圓圈、星號分別表示穩(wěn)定的大極限環(huán)、不穩(wěn)定的極限環(huán)、穩(wěn)定的小極限環(huán)振動的最高點和最低點.圖2-2(a)隨著參數1的變化,哺乳動物單個神經元振子產生了振蕩行為和雙韻律行為.這些動力學行為廣泛存在于許多生物過程中,因為振蕩行為是生命最顯著的特征之一.而周期性過程實際上構成了一系列關鍵生理功能的基礎,例如心臟跳動、大腦節(jié)律活動、呼吸、激素脈動分泌、排卵以及睡眠-覺醒的周期都是周期性過程.并且我們知道心臟跳動的節(jié)律,正常頻率是60-100次/分鐘,運動時是120-160次/分鐘.但是對于哺乳動物生物鐘系統(tǒng)來說,雙韻律的出現可能會使得哺乳動物生物鐘紊亂,所以我們可以通過對生物鐘系統(tǒng)動力學行為的分析,了解到內在生物鐘的變化.圖2-2(b)與(a)中區(qū)域是對應的,為了觀察雙韻律區(qū)域極限環(huán)的特征,我們進行了局部放大.此外,我們還可以通過觀察系統(tǒng)在特定參數值下的時間序列,來分析系統(tǒng)的動力學行為.8
哺乳動物生物鐘在單細胞和多細胞水平上的動力學分析元之間都有聯系.而異質網絡的耦合方式是由于視交叉上核神經元分為腹外側神經元和背內側神經元兩部分,并且兩部分神經元所占的比例不同,從腹側神經元到背側神經元的突觸明顯比背側神經元到腹側神經元的突觸密度大,腹側神經元支配背側神經元而導致的.圖3-1單參數分岔圖.(a)中細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)振動的最高點和最低點.(b)中細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài),細虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)振動的最高點和最低點.當神經元振子的耦合方式是全連接網絡時,耦合強度對耦合系統(tǒng)動力學行為的影響.如圖3-1(a),根據耦合系統(tǒng)所表現出的動力學行為的不同,我們將參數區(qū)間分為(IV)四個區(qū)域:3個Hopf分岔點(HB)=0.8194,=2.478,=33.03,=[0,0.8194]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的平衡態(tài),=[0.8194,2.478]系統(tǒng)有一個不穩(wěn)定的平衡態(tài)和一個穩(wěn)定的極限環(huán),=[2.478,33.03]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的極限環(huán)以及一個不穩(wěn)定的平衡態(tài),=[33.03,50]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的平衡態(tài).當神經元振子的耦合方式是異質網絡時,耦合強度對系統(tǒng)動力學行為的影響.如圖3-1(b),根據系統(tǒng)所表現出的動力學行為的不同,我們將參數區(qū)間分為（IV）四個區(qū)域:3個hopf分岔點=0.7987,=2.4868,=33.33,=[0,0.7987]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的平衡態(tài),=[0.7987,2.4868]系統(tǒng)有一個不穩(wěn)定的平衡態(tài)和一個穩(wěn)定的極限環(huán),=[2.4868,33.33]系統(tǒng)有兩個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的極限環(huán)以及一個不穩(wěn)定的平衡態(tài),=[33.33,50]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的平衡態(tài).耦合強度變化時,同樣出現了三個Hopf分岔點,并且在第三個區(qū)域內,耦合系統(tǒng)出現了雙韻律的動18
【參考文獻】：
期刊論文
[1]世界首批生物節(jié)律紊亂體細胞克隆猴模型誕生[J]. 曉工. 科學. 2019(02)
[2]時間生物學——2017年諾貝爾生理或醫(yī)學獎解讀[J]. 袁力,李藝柔,徐小冬. 遺傳. 2018(01)
[3]哺乳動物生物鐘的遺傳和表觀遺傳研究進展[J]. 岳敏,楊禹,郭改麗,秦曦明. 遺傳. 2017(12)
[4]網絡——探索復雜性的新途徑[J]. 史定華. 系統(tǒng)工程學報. 2005(02)
[5]生物鐘基因研究新進展[J]. 李經才,于多,王芳,何穎. 遺傳. 2004(01)
博士論文
[1]節(jié)律基因數據庫的構建及LBR調控晝夜節(jié)律的機理[D]. 李姝婧.華中科技大學 2017
本文編號：3088138
【文章來源】：河南大學河南省
【文章頁數】：49 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
Goodwin模型的網絡結構示意圖,’→’表示促進作用,’’表示抑制作用.
哺乳動物生物鐘在單細胞和多細胞水平上的動力學分析圖2-2(a)單參數分岔圖.細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài),細虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定極限環(huán)和不穩(wěn)定極限環(huán)振動的最高點和最低點.(b)單參數分岔圖,虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài),實線、圓圈、星號分別表示穩(wěn)定的大極限環(huán)、不穩(wěn)定的極限環(huán)、穩(wěn)定的小極限環(huán)振動的最高點和最低點.圖2-2(a)隨著參數1的變化,哺乳動物單個神經元振子產生了振蕩行為和雙韻律行為.這些動力學行為廣泛存在于許多生物過程中,因為振蕩行為是生命最顯著的特征之一.而周期性過程實際上構成了一系列關鍵生理功能的基礎,例如心臟跳動、大腦節(jié)律活動、呼吸、激素脈動分泌、排卵以及睡眠-覺醒的周期都是周期性過程.并且我們知道心臟跳動的節(jié)律,正常頻率是60-100次/分鐘,運動時是120-160次/分鐘.但是對于哺乳動物生物鐘系統(tǒng)來說,雙韻律的出現可能會使得哺乳動物生物鐘紊亂,所以我們可以通過對生物鐘系統(tǒng)動力學行為的分析,了解到內在生物鐘的變化.圖2-2(b)與(a)中區(qū)域是對應的,為了觀察雙韻律區(qū)域極限環(huán)的特征,我們進行了局部放大.此外,我們還可以通過觀察系統(tǒng)在特定參數值下的時間序列,來分析系統(tǒng)的動力學行為.8
哺乳動物生物鐘在單細胞和多細胞水平上的動力學分析元之間都有聯系.而異質網絡的耦合方式是由于視交叉上核神經元分為腹外側神經元和背內側神經元兩部分,并且兩部分神經元所占的比例不同,從腹側神經元到背側神經元的突觸明顯比背側神經元到腹側神經元的突觸密度大,腹側神經元支配背側神經元而導致的.圖3-1單參數分岔圖.(a)中細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)振動的最高點和最低點.(b)中細實線表示穩(wěn)定的平衡態(tài),細虛線表示不穩(wěn)定的平衡態(tài).粗實線和粗虛線分別表示穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)振動的最高點和最低點.當神經元振子的耦合方式是全連接網絡時,耦合強度對耦合系統(tǒng)動力學行為的影響.如圖3-1(a),根據耦合系統(tǒng)所表現出的動力學行為的不同,我們將參數區(qū)間分為(IV)四個區(qū)域:3個Hopf分岔點(HB)=0.8194,=2.478,=33.03,=[0,0.8194]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的平衡態(tài),=[0.8194,2.478]系統(tǒng)有一個不穩(wěn)定的平衡態(tài)和一個穩(wěn)定的極限環(huán),=[2.478,33.03]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的極限環(huán)以及一個不穩(wěn)定的平衡態(tài),=[33.03,50]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的平衡態(tài).當神經元振子的耦合方式是異質網絡時,耦合強度對系統(tǒng)動力學行為的影響.如圖3-1(b),根據系統(tǒng)所表現出的動力學行為的不同,我們將參數區(qū)間分為（IV）四個區(qū)域:3個hopf分岔點=0.7987,=2.4868,=33.33,=[0,0.7987]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的平衡態(tài),=[0.7987,2.4868]系統(tǒng)有一個不穩(wěn)定的平衡態(tài)和一個穩(wěn)定的極限環(huán),=[2.4868,33.33]系統(tǒng)有兩個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的極限環(huán)以及一個不穩(wěn)定的平衡態(tài),=[33.33,50]系統(tǒng)有一個穩(wěn)定的極限環(huán)和一個不穩(wěn)定的平衡態(tài).耦合強度變化時,同樣出現了三個Hopf分岔點,并且在第三個區(qū)域內,耦合系統(tǒng)出現了雙韻律的動18
【參考文獻】：
期刊論文
[1]世界首批生物節(jié)律紊亂體細胞克隆猴模型誕生[J]. 曉工. 科學. 2019(02)
[2]時間生物學——2017年諾貝爾生理或醫(yī)學獎解讀[J]. 袁力,李藝柔,徐小冬. 遺傳. 2018(01)
[3]哺乳動物生物鐘的遺傳和表觀遺傳研究進展[J]. 岳敏,楊禹,郭改麗,秦曦明. 遺傳. 2017(12)
[4]網絡——探索復雜性的新途徑[J]. 史定華. 系統(tǒng)工程學報. 2005(02)
[5]生物鐘基因研究新進展[J]. 李經才,于多,王芳,何穎. 遺傳. 2004(01)
博士論文
[1]節(jié)律基因數據庫的構建及LBR調控晝夜節(jié)律的機理[D]. 李姝婧.華中科技大學 2017
本文編號：3088138
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