本文系統(tǒng)地研究了外加電磁刺激對FitzHugh-Nagumo （FHN）神經(jīng)元系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的調(diào)控作用.首先,在強(qiáng)非線性電磁感應(yīng)的作用下,FHN神經(jīng)元對外加電磁刺激的響應(yīng)呈現(xiàn)顯著的非線性變化特點(diǎn),不僅能夠產(chǎn)生混沌的放電現(xiàn)象,而且還出現(xiàn)了不同放電模式之間的轉(zhuǎn)遷.其次,在電磁感應(yīng)的作用下,周期振蕩的電磁刺激對Newman-Watts小世界的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的脈沖放電頻率和同步性都能夠進(jìn)行有效地調(diào)控,不僅提高了神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對局部弱激勵(lì)信號(hào)的探測和響應(yīng)能力,而且能有效地控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)空斑圖從相位同步到完全同步的演化.本文的研究揭示了電磁刺激對單個(gè)神經(jīng)元和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的顯著調(diào)控能力,有待為生理上應(yīng)用電磁刺激輔助治療精神疾病提供理論指導(dǎo). 

【文章來源】：動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào). 2020,18(01)

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

FHN神經(jīng)元系統(tǒng)的Lyapunov指數(shù)和脈沖放電頻率的變化示意圖,其中(a)和(b)A=0.05,f=0.0;(c)和(d)A=0.05,f=10.0

為了更深入地探討外加周期的電磁刺激對FHN神經(jīng)元放電模式的調(diào)控作用,圖2顯示了神經(jīng)元放電活動(dòng)的峰峰間期對電磁刺激周期振蕩的振幅的依賴關(guān)系.在恒定的弱信號(hào)激勵(lì)的條件下,當(dāng)電磁刺激振蕩的頻率f0=2.0時(shí),隨著電磁刺激振蕩的振幅B的不斷增大,神經(jīng)元的放電模式從開始的靜息態(tài)依次經(jīng)歷混沌態(tài)、周期態(tài)和混沌態(tài),最終到達(dá)周期態(tài),如圖2(a)所示.特別地,當(dāng)B從6.5增大到8.0的過程中,神經(jīng)元放電活動(dòng)的峰峰間期產(chǎn)生明顯的分岔現(xiàn)象,依次出現(xiàn)三周期、四周期和二周期的放電模式,這體現(xiàn)了電磁刺激對神經(jīng)元放電活動(dòng)有效的調(diào)控能力.當(dāng)f0=10.0時(shí),隨著B的不斷增大,神經(jīng)元放電活動(dòng)經(jīng)過一系列的模式轉(zhuǎn)遷最終穩(wěn)定為單周期的峰放電活動(dòng),其周期為100個(gè)時(shí)間單位,正好與外加電磁刺激振蕩的周期相對應(yīng),如圖2(b)所示,其主要原因是由于強(qiáng)振幅的電磁刺激最終誘導(dǎo)了神經(jīng)元同頻的脈沖放電活動(dòng).進(jìn)一步地,在周期的弱信號(hào)激勵(lì)的條件下,隨著B的不斷增大,神經(jīng)元的放電模式從靜息態(tài)經(jīng)過單周期態(tài)最終轉(zhuǎn)遷為雙周期態(tài),其峰峰間期具有明顯跳躍變化的特點(diǎn),如圖2(c)和2(d)所示.圖2 FHN神經(jīng)元放電活動(dòng)的峰峰間期的分岔示意圖

圖2 FHN神經(jīng)元放電活動(dòng)的峰峰間期的分岔示意圖基于上述分析,我們發(fā)現(xiàn)在電磁感應(yīng)的作用下,外加的電磁刺激能夠有效地調(diào)控FHN神經(jīng)元的放電活動(dòng),誘導(dǎo)不同放電模式之間的轉(zhuǎn)遷.一方面,在強(qiáng)非線性的電磁感應(yīng)的作用下,外加周期振蕩的電磁刺激對FHN神經(jīng)元的調(diào)控作用呈現(xiàn)顯著的非線性變化的特點(diǎn),甚至能夠產(chǎn)生混沌的動(dòng)力學(xué)行為.另一方面,神經(jīng)元放電活動(dòng)的峰峰間期會(huì)出現(xiàn)分岔或跳躍變化的現(xiàn)象,其放電模式會(huì)在不同的周期態(tài)之間轉(zhuǎn)遷,誘導(dǎo)比較復(fù)雜的放電現(xiàn)象,體現(xiàn)了神經(jīng)元的電生理活動(dòng)對周期振蕩的電磁刺激的振幅和頻率的敏感性.此外,外加的電磁刺激往往有助于FHN神經(jīng)元對弱激勵(lì)信號(hào)的加工,從而產(chǎn)生模式豐富的輸出信號(hào).

【參考文獻(xiàn)】：
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