（凝聚态物理专业论文）小世界神经网络刺激参数的研究.pdf

s t i m u l a t ep a r a m e t e r ss t u d yo fs m a l lw o r l dn e u r a ln e t w o r k a n gl i h u a b e ( l i a o c h e n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e c o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s i nt h e s c h o o lo fs c i e n c e o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y 一 一一 s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl iy a n l o n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由 本人承担。 作者签名： 日期：溯年月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国 学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期：如7 f 年f 月夕e 1 日期：z 口，年多月co 日 硕士论文 目录。 目录。i 摘要i u a b s t r a c t i v 第一章绪论一l 1 1 神经科学及神经元一l 1 1 1 神经科学1 1 1 2 神经元简介2 1 2 迷走神经刺激术与难治性癫痫一9 1 2 1 迷走神经刺激术9 1 2 2 难治性癫痫1 1 第二章神经元模型1 3 蠢 2 1h o d g k i n h u x l e y 神经元模型1 3 2 2m o m s l e c a r 神经元模型1 6 2 3c h a y 神经元模型l7 2 4 h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 0 经元模型l9 2 5 其它神经元模型2 0 第三章可兴奋神经元网络的同步与去同步2 l 3 1 可兴奋神经元网络的同步2 1 3 1 1h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 神经元网络的同步一2 2 3 1 2f i t z h u g h - n a g u m o ( f n ) 丰0 经元网络的同步2 3 3 1 3h o d g k i n - h u x l e y ( h h ) 0 经元网络的同步2 4 3 2 神经元网络的异常同步2 5 3 3 电突触及癫痫的电生理基础2 6 3 3 1 电突触2 6 3 3 2 癫痫与电突触2 6 3 3 3 癫痫的脑电形态介绍2 7 3 4 刺激参数对神经元网络去同步的影响2 8 3 4 1 小世界h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 卒0 经元网络模型2 9 3 4 2 外界脉冲刺激对h r 神经元网络的影响3 0 3 4 - 3 外界刺激参数对神经元网络去同步的影响一3 2 3 5 本章小结3 8 小世界神经网络刺激参数的珂f 究 第四章结论与展望3 9 4 1 结论3 9 4 2 展望3 9 参考文献4 1 到l 谢。4 5 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录。4 6 硕十论文 摘要 在生命机制系统中，同步现象是正常功能所必需的，例如在大脑不同区域之间建 立通讯联系，而反常的同步则导致严重无序，如癫痫，帕金森等退行性神经系统疾病 的发生，癫痫，帕金森等发作的重要特征就是可兴奋神经元的同步振荡。由 h i n d m a r s h - - r o s e ( h r ) 神经元所组成的时滞神经元网络的同步与去同步问题是主要研 究内容。利用计算机数值模拟的方法研究时滞存在情况下神经网络的同步与去同步问 题，与其他已有的神经网络的研究结果和研究方法相比，更具有现实操作性。计算机 数据模拟的方法是我们研究采用的方法。计算机数据模拟的研究方法得到的结论有利 于认识在时滞背景下，小世界神经元网络的放电活动，为探索例如癫痫，帕金森发作 等异常神经元放电活动导致疾病的原由提供了可靠的理论依据。本文的研究主要集中 在时滞存在情况下可兴奋神经细胞构建的网络同步以及脉冲刺激参数对小世界神经网 络去同步的影响。 通过对可兴奋神经元网络中h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 神经元的模拟研究发现，大约百 分之十的神经元被时滞信号刺激时，处于同步态的神经元网络可以逐渐演化为去同步 状态。在时滞信号的刺激下，外界脉冲刺激频率越高的话，对h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 神经元网络去同步的效果就越显著，外界脉冲刺激强度越大，神经元网络的去同步的 效果就越显著。以上的情况可以综述为：外界脉冲刺激强度和外界脉冲刺激频率对 h i n d m a r s h r o s e ( h r ) 神经元网络的去同步极为的显著，且是去同步的主要因素。在 同一个外界脉冲刺激强度刺激神经网络时，弱耦合强度的神经元网络的去同步现象更 显著。对于神经元网络的模拟得知：存在最优外界脉冲连续刺激时间以及最优外界脉 冲刺激间隔。 生物神经网络中的同步振荡问题实质上是非线性振子之间的耦合和相位锁定问 题。同步很可能是神经系统编码信息的时空表现形式，被认为是记忆的基础。因此对 现实性神经网络的研究将有助于我们揭开大脑工作原理的奥妙。本文的工作对于探索 迷走神经刺激术治疗难治性癫痫的理论及迷走神经刺激术治疗难治性癫痫过程中刺激 参数的选择都具有积极意义。 关键词：小世界网络，h i n d m a r s h - - r o s e 神经元网络，同步，去同步，时滞。 i h 小世界神经网络刺激参数的研究 a b s t r a c t i nl i f es y s t e m ，t h es y n c h r o n i z a t i o ni sn e c e s s a r yf o rn o r m a lf u n c t i o n ，s u c ha st h e c o m m u n i c a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n tf u n c t i o nr e g i o n s ，b u tt h ea b n o r m a ls y n c h r o n i z a t i o nw i l l r e s u l ti ns e r i o u so u t - o f - o r d e r , f o re x a m p l ee p i l e p s ya n dp a r k i n s o n ，b o mo ft h e ma r e d e g e n e r a t i v e n e r v o u ss y s t e md i s e a s e s t h ei m p o r t a n t f e a t u r eo f e p i l e p s y a n d p a r k i n s o n s e i z u r ei st h en e r v o u ss y s t e m ss y n c h r o n i z a t i o n t h eh i n d m a r s h r o s en e u r a l s c o n s t i t u t et h en e u r a ln e t w o r k i nt h i sn e u r a ln e t w o r k ，w er e s e a r c ht h es y n c h r o n i z a t i o na n dd e - s y n c h r o n i z a t i o n u s e t h em e t h o do fc o m p u t e r ，w ec a nr e c e i v es o m er u s u l t sa b o u tt h e s y n c h r o n i z a t i o na n dd e s y n c h r o n i z a t i o n ，a n dc o n t r a s tw i t ho t h e rm e t h o d s ，t h e s er u s u l t sh a v e m o r ee a s i e r t h er e s e a r c hm e t h o do ft h i sa r t i c l ei sc o m p u t e rs i m u l a t i o n t h er e s u l tf r o mt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o ni sb e t t e rf o rl e a r n i n gt h ed i s c h a r g eo fs m a l lw o r l dn e u r a ln e t w o r k ，a n d p r o v i d i n gt h ef a i r w e a t h e rt h e r o r e t i c a lb a s i sf o rc u r i n gt h ee p i l e p s ya n dp a r k i n s o n m a i n w o r ki nt h i st h e s i si st h a tt h ed e s y n c h r o n i z a t i o no fe x c i t a b l en e u r a ln e t w o r ka n dt h ei n f l u e n c e o ft h ep u l s es t i m u l a t i n gp a r a m e t e r so nt h ed e s y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h et i m e d e l a y t os i m u l a t es t u d ys m a l lw o r l dh i n d m a r s h r o s e ( h r ) n e u r a ln e t w o r k ，a n dw ec a l lg e t t h a ts y n c h r o n i z a t i o no fn e u r a ln e t w o r kc o n v e r si n t ot h ed e s y n c h r o n i z a t i o nw h e np a r t so f n e u r o n sa r es t i m u l a t e dw i t hat i m e d e l a yp u l s ec u r r e n ts i g n a l t h eb i g g e rt h ee x t e r n a lp u l s e s t i m u l a t i n gf r e q u e n c yi s ，t h ec l e a r l yp h e n o m e n o no fd e s y n c h r o n i z a t i o n t h ee x t e r n a lp u l s e s t i m u l a t i n gf r e q u e n c ya n de x t e r n a lp u l s ei n t e n s i t ya r eb o t hi m p o r t a n tf o rt h en e t w o r kd e 。 s y n c h r o n i z a t i o n t h el a r g e r e x t e r n a lp u l s ed e - s y n c h r o n i z a t i o ns t i m u l a t i o ni n t e n s i t yo f n e t w o r ki sm o r ee v i d e n tt h a nt h a to fw e a k e rs t i m u l a t i o ni n t e n s i t y a tt h es a m ee x t e m a lp u l s e s t i m u l a t i o ni n t e n s i t y ，i nt h es m a l lc o u p l i n gi n t e n s i t yn e u r a ln e t w o r k ，t h es y n c h r o n i z a t i o no f n e u r a ln e t w o r kc o n v e r si n t ot h ed e - s y n c h r o n i z a t i o ni sm o r eq u i c k l y w ea l s og e tt h a ti nt h e s m a l lh i n d m a r s h r o s en e u r a ln e t w o r k t h e r ee x i s tt h eb e s ts t i m u l a t i o ni n t e r v a la n db e s t p e r i o do fc o n t i n u o u ss t i m u l a t i o nt i m ew h e n t h eo t h e rs t i m u l a t i o np a r a m e t e r sr e m a i nc e r t a i n t h i ss t u d yi su s e f u lt oe x p l o r et h et h e o r e t i cm e c h a n i s mf o rv a g u sn e r v es t i m u l a t i o n t h e r a p yf o rp a t i e n t sw i t hr e f r a c t o r ye p i l e p s y ；a n du s e f u lt oo f f e rs o m ew a r r a n t i e sf o rs e l e c t i n g s t i m u l a t i o np a r a m e t e r si nv a g u sn e r v es t i m u l a t i o nt h e r a p yf o rp a t i e n t sw i t hr e f r a c t o r y e p i l e p s y b i o l o g i c a ln e u r a ln e t w o r k st h ep r o b l e mo fs y n c h r o n o u so s c i l l a t i o ni ne s s e n c e ，i sa n o n - l i n e a rc o u p l i n gb e t w e e nt h eo s c i l l a t o ra n dp h a s e l o c k i n gp r o b l e m s y n c h r o n i z a t i o ni s l i k e l yt oe n c o d et h ei n f o r m a t i o nn e r v o u ss y s t e mm a n i f e s t a t i o n so ft i m e a n ds p a c e ，i s c o n s i d e r e dt h eb a s i so fm e m o r y t h e r e f o r e ，t h e s er e s u l t sc a np r o m o t ep e o p l ek n o wn e u r o n e n c o d i n gt oi n f o r m a t i o n ，a n dc o g n i z ea n dr e v e a lt h es e c r e to f b r a i nw o r k i n gp r i n c i p l e k e yw o r d s ：s m a l lw o r l dn e t w o r k ，h i n d m a r s h - r o s en e u r a ln e t w o r k ，s y n c h r o n i z a t i o n ，d e s y n c h r o n i z a t i o n ，t i m e d e l a y i v 硕士论文 1 1 神经科学及神经元 1 1 1 神经科学 第一章绪论 神经科学的研究是脑研究中的重要研究内容，这可从脑研究的各种研究层 次上体现出来。图1 1 为脑研究层次的示意图，主要的研究对象为图中的黑点 部分，它主要包括了基因调控机制的分子层次，不同脑区或核团的神经元突触 连接结构，神经元相互作用的网络或者神经局部回路，脑内调节行为的系统以 及处于行为中的人，还包括处于动态活动中的神经元等。可见神经元和神经元 网络是脑科学研究的重要组成部分，并且在研究当中也投入了大量的物力财 力。在“脑十年结束的2 0 0 0 年，美国白宫科学技术政策办公室建立了神经信 息学工作组，2 3 项研究课题得到批准，同时2 0 0 1 年美国白宫科学技术政策办 公室又批准了1 9 项研究项目，主要方向在神经网络模型、神经元性质、脑解剖 图谱、功能脑成像等。 癣雩 图1 1 脑的各研究层次 作为神经科学的微观方向，神经元及神经元网络的研究是必不可少的，而 神经元及神经元网络非线性振荡则是神经科学基础和临床研究的重要课题1 ， e b w i l s o n 曾说过：“每一个生物科学问题的关键必须在细胞中寻找”。脑是生 物系统最为高级也是最为复杂的部分，脑的复杂性主要表现在组成脑的每一个 部分和它的许多功能与非线性有着广泛而深刻的联系 小世界神经网络刺激参数的研究 1 1 2 神经元简介 1 1 2 1 神经元 神经元也被称做神经细胞，是构成神经系统结构的基本单位埋1 ，神经元的构 成是细胞体和细胞突起，它的基本特征是具有长突起。脑、脊髓和神经节中存 在着大量的细胞，而细胞突起则可以到达全身各器官和组织。细胞体是细胞含 核的部分，但其形状大小却存在很大的差别，其直径可以从4um 到1 2 0 l am ，核 大而圆，位于细胞中央，染色质少，核仁明显，同时存在很多的神经元纤维。细胞 体延伸出来的细长部分又分为树突和轴突，这也是细胞突起的组成部分。在每 个神经元中树突可以存在一个或者是多个，而轴突只有一个。树突的功能主要 是可以接受刺激并将兴奋传入细胞体。轴突的作用在于可以把兴奋从胞体传送 到另一个神经元或其他组织，如肌肉或腺体。 图1 2 神经元的解剖 2 硕士论文 l a m u l t i p o l a | i n t e r n e u r o n s 图1 3 神经元的一般结构 动物的大脑皮层中有大约一千亿个神经元，每个神经元平均与其他一万个 神经元相联系，已知的神经元种类超过一百种，但都基本具有图1 3 所示的形 态【3 1 。 1 细胞体( c e l lb o d y ) ，其直径大小约为5 至1 0 0 l am 不等。很多分子组成了细 胞体，其内部则包含了一个细胞核、核糖体、原生质网状结构等主要的结构， 它的主要功能是为神经元活动提供能量，并且生物体的各种新陈代谢活动也在 这里进行。 2 树突( d e n d r i t e s ) ，是细胞体外很短的树状分支，且每个神经元存在很多的树 突，树突承担着细胞的一个输入功能。 3 轴突( a x o n ) ，是细胞体与其他细胞的一个连接，u p * o 经纤维，且每个神经元 只存在有一个轴突。轴突承担着细胞的一个输出功能，即轴突是把神经元兴奋 的信息传输到其它神经元的出口。 4 突触( s y n a p t i c ) ，是一个神经元与另一个神经元的连接。突触主要存在与树 突和细胞体上，一个神经元中可以存在很多的突触。例如在新皮层中的神经元 大约每个约有六千个突触，整个脑内突触的数目大约在1 0 1 4 1 0 b 之间，定义了 神经元结构的可塑性就是突触之间的连接方式不同，其生理作用及功能也是不 相同的，他们之间的信息传递特性是可以改变的，他们之间的连接是一种柔性 的连接。 突触是神经细胞与其靶位之间的一个接触点，信息在一个特化的接触点从 小世界神经网络刺激参数的研究 一个神经传向另一个神经元或者从一个神经元传向一个肌肉纤维，这种特殊的 接触点即为突触。突触的结构如图1 4 所示。由图可以看出突触的结构主要由 突触前成分，突触后成分和突触间隙组成。突触前成分是每一个神经元的轴突 末梢。突触后成分则可以是细胞体，树突或轴突中任何一种。突触间隙是一个 存在空间，存在与突触前成分与后成分之间，空间一般为2 0 旺3 0 0 a 。突触的 存在主要说明了两个神经元的连接是通过突触这种结构的。 树突 图1 4 突触结构 突触作为一个连接主要的过程是神经刺激沿轴突传至突触前膜成分时，刺 激前膜上的电位门其中控制钙离子通道的电位门开放，细胞外的钙离子进入突 触前部成分，在三磷酸腺苷等参与下，突触小泡从突触前膜将神经递质以胞吐 的形式释放到突触间隙内，引起与受体相关联的化学门控通道开放的原因在于 神经递质与受体的结合，此时离子经过专门通道进入到突触后部中，使突触后 膜内外两侧的离子密度发生差异，表现为细胞的兴奋性或细胞的抑制性，进而 使突触后神经元的活动发生变化。神经递质及神经递质受体的类型决定了突触 的兴奋与抑制，神经元的细胞器生理活动则包含了神经递质的储存、合成、释 放、运输。神经元中通常含有许多兴奋性和抑制性的突触，神经元表现为兴奋 时，兴奋性突触超过抑制性突触，如果抑制性突触活动总和超过兴奋性突触活 动总和时，此时神经元表现为抑制状态。 在现在已有的研究中，发现神经元的生物行为有以下四种不同的状态【4 j 。 罗列如下： 4 硕士论文 ( 1 ) 生物行为总处于抑制或者兴奋状态； ( 2 ) 适应外部环境的能力； ( 3 ) 行为处在抑制后能产生反冲； ( 4 ) 能产生爆发这种特殊情况。 突触也存在了不同的生物行为，四种情况罗列如下： ( 1 ) 突触能够对信息进行处理； ( 2 ) 能依据处理结果对信息产生递变的传送； ( 3 ) 突触的连接中存在了电接触等多种连接方式； ( 4 ) 突触对于信息的发送会产生延时激发的现象。 神经元的功能是感受刺激及传导兴奋，不同的神经元根据这两种功能的不 同可以分为感觉神经元，中间神经元和运动神经元。感觉神经元也就是平常常 说的传入神经元，通过神经元末稍的感受器接受n ； i - 界刺激，从而转化为神经 信号传向中枢结构。中间神经元又称为联络神经元的位置主要在脑和脊髓内， 中间神经元连接感觉神经元和运动神经元。中间神经元的数量是动物种类进化 的一种标志，即动物种类越高级，中间神经元就越多。相对于传入神经元，运 动神经元又可以理解为传出神经元，它能把神经兴奋传输到发生器，使各种各 样的生理活动得到实现， 根据细胞体外部形状的不同，神经元的分类主要有以下三种： 1 单极神经元，它只有一个突起，然后分为两支不同的树突与轴突，树突进入 到表皮器官，内脏器官等，轴突则进入到脊髓或者是脑中。单极神经元是无脊 椎动物神经系统的特征。 2 双极神经元，存在两个功能性突起，本身就有一个树突和一个轴突，双极神 经元多为梭形，从胞体的两端各发出一根突起，它主要延伸到视网膜和前庭神 经节，例如视网膜双极神经元。 3 多极神经元，它的胞体呈现出多边形，形态多样，轴突的长度和树突分支的 数量，长度和复杂性也呈现了多样性，多极神经元拥有一个轴突和多个树突， 在中枢神经系统中占大多数，脑和脊髓灰质中的神经元就是多极神经元。 神经元轴突上传递的信息是一种离散的电脉冲信号，因此可以用数字来表 示。但是在神经递质的释放和膜电位的变化却是连续的，所以说突触有数字模 拟的功能。但是在神经元中存在闽值，当神经元的树突膜电位高过此阀值时， 则膜电位又可以以电脉冲方式进过轴突传送出去。所以这个过程的发生说明了 神经元有模拟数字功能。 通过以上情况的分析可以得知，当信息在传递过程中，神经元对信息执行 了数字模拟、模拟数字的转换。 现在已有的研究结果中，研究人员通过解剖学，生理学等不同的研究方 法，对神经元有了更加深入的了解。但是虽然已经从各种方面对神经元进行了 小世界神经网络刺激参数的研究 详细的研究，对于神经元在编码和解码中所使用的代码仍然是处在一个混沌的 状态，还没有研究能够详细的对这个领域进行说明与解释。现在研究人员一般 认为诱发神经元动作电位的输入信号的强度主要表现在了发放率上。而在实际 情况中，使用刺激的不同能够使运动神经元和感觉神经元的发放活跃性明显的 不同。所以在现在的研究中，仍然存在着一个有争议的问题那就是信息是如何 被携带的，如果是平均发送率携带了信息的话我们称之为频率编码，如果是动 作电位序列的时间间隔分布细节携带信息的话称之为时间编码，这两种方式存 在本质上的差别。在近期的研究结果中，研究人员已经找到一些实验证据表明 时间编码方式是现在大多数生物中主要使用的编码方式。例如，神经元发放的 频率一般小于l o o h z ，发放时间间隔却大于1 0 m s ，在研究中发现，人类的视觉 系统能够在1 5 0 m s 内很迅速准确的将图案进行分类，但是从视网膜到颞脑 ( t e m p o r a lb r a i n ) 之间却至少有1 0 个突触存在。对恒河猕猴的研究发现，恒河猕 猴与人类具有相似的视觉处理速度。 1 1 2 2 神经元膜及其离子通道 细胞膜是由液态的脂质双分子层及其液态镶嵌着的蛋白质分子组成，是细 胞体上的双磷脂膜，镶嵌在脂质双分子层中的蛋白质分子，有的位于细胞膜 外，有的面向胞质，有的则跨越了细胞膜，许多跨膜蛋白形成离子通道，钠离 子，钾离子，钙离子或者氯离子受膜两侧的浓度梯度和电位梯度所驱使，做被 动的跨膜运动。 体液根据所处神经细胞膜内内外的不同，可以分为细胞内液和细胞外液， 它们各自的化学成分和离子浓度也是不相同的。细胞膜对于不同离子的通透性 ( p e r m e a b i l i t y ) 是不同，从而使得细胞膜内外的化学成分和离子浓度继续不同，这 种不同也造成了细胞膜内外电位差的存在。 相对于细胞外液而言，细胞内液中钾离了较多，钠离了和氯离_ 子较少，而 细胞外液中则正相反，即钾离子较少，钠离子和氯离子较多。静息时，膜对钾 离子的通透性大于钠离子的。对钾离子来说，由于膜内外的电位梯度，钾离子 又将回到细胞内，同时，又有钠钾泵的主动运输，因而保持平衡。对钠离子来 说，也有同样的过程，图1 5 为细胞的组成和细胞膜的双磷脂层以及物质输运 示意图。 6 硕士论文 ( 8 ) 图1 5 ( a ) 细胞的剖面图( b ) 细胞膜的双磷脂层和物质交换示意图 1 1 2 3 膜电位 现在已有的研究成果中已存在了对单个神经元状态的测量，膜电位这个物 理量就描述了单个神经元的运动状态，在研究中。我们对于膜电位的定义是神 经元中某部位内部和外部的电势差。神经元细胞对不同离子的通透性和维持神 经细胞膜内外离子浓度的离子泵作用使神经元产生了膜电位。神经元静息是存 在一个跨质膜的稳态电流，膜内相对与膜外为负，当改变了细胞外钾浓度使钾 的平衡电位改变，从而改变膜电位，相反，改变细胞外氯浓度最终导致细胞内 氯浓度的改变，其结果必然是氯的平衡电位和膜电位不变。对于膜电位的测 量，我们可以用图1 6 来进行详细的说明： 图1 6 对神经元膜电位的测量 根据h o d g k i n ，h u x l e y 和k a t z 的研究成果，动作电位产生的离子基础主要有： 1 ) 静息电位主要由钾浓度比决定，但是也受到了钠浓度比的影响，在更小的程 度上还受到了氯浓度比的影响，钠离子是神经和肌肉细胞产生动作电位的基 小世界神经网络刺激参数的研究 础。 2 ) 当刺激产生时，膜产生去极化现象，在此过程巾膜对钠离子，钾离子选择通 过性变得不同。最重要的是钠离子的电控门通道首先发生变化，使得钠离子 大量的通过，这种情况的变化就使得膜内电位相对于膜外电位变为正值，这 就使得去极化更加的明显了，在动作电位尖峰处存在着超射的现象，在这个 期间中，动作电位呈现上升相。 3 ) 钠离子通道大量关闭的同时，钾离子通道开放，但是并不是单纯的是钠通道 关闭，膜电位就会回到静息水平，这只是参与的因素之一，在大多细胞中， 回到静息水平要比实验所观察到的慢的多，这是因为了膜的总静息通透性相 对的较小，所以在这个过程中，钾离子通道开放，钾通透性的增加可以持续 一段时间，钾离子大量的外流，此时动作电位呈现下降相。 4 ) 动作电位是膜的钠通透性突然大幅增加的必然结果，其产生的钠的涌入和膜 内表面正电荷的积累，使得膜电位接近了钠的平衡电位。复极化是随后的钾 通透性大量增加，以及是积累的正电荷的丢失。图1 7 表示的是神经元动作 电位的产生。 ( a ) 夸 柏 w 一孵。 一o l 舯 图1 7 神经元的动作电位产生的示意图 ( b ) 当其他神经元的神经刺激到达与之相应的突触时，突触就会大量排放神经 递质，使神经元对于钠钾离子的通透性发生改变，从而改变神经元的膜电位， 在电突触中，电流可以从突触前神经末梢传入突触后细胞内，从而改变突触后 细胞的膜电位，在无脊椎动物的神经系统中以电传递为主，当然也存在于哺乳 动物的中枢神经系统中。在化学突触巾，电流是到达突触前神经末梢，从而引 起神经递质分子的释放。在直接性化学突触中，递质与细胞膜上的离子型受体 结合，受体本身就形成了离了通道，其导致的结果就是，受体的构造发生变 化，变化导致通道开放或者关闭，离子流入或者流出，膜电位也随之发生改 变。 在神经科学的研究中，对于神经科学问题的建模是最基本也是最重要的问 题，它的基本理论基础就是所建立的模型能够准确且简单的描述或解释神经系 统某个问题，在模型的建立过程中，它需要很多的学科作为基础，例如：神经 硕士论文 生理学、医学、工程学、心理学、行为学等，神经生理学为神经科学的研究和 模型的建立提供了理论基础，医学为神经科学的研究和模型的建立提供了实验 数据，并且能够利用医学实验的数据对该模型进行检验，以确定该模型是否合 适以及需要调整的地方，工程学中的控制论为神经科学的研究和模型的建立准 备了系统的观点。在信息技术快速发展的今天，神经科学的研究已经扩展到了 各利- 各样功能复杂的研究中，也发展了多样的神经科学研究分支。 对于神经科学的研究中，建模与仿真是现在科学人员研究的重要问题，主要 的任务就在于通过运用医学上实验的数据进行综合分析与整理，建立模型，通 过理论的分析来研究神经科学的工作原理，从而能够破解神经系统的编码与解 码问题，同时，在这个研究中，牵涉到了认知，人工智能，计算机运用，数学 物理方法等交叉学科，这也是研究过程中的难点所在，所有的研究需要大量工 作人员的共同努力才可以实现，所耗费的时间也是要比预想中的多。 1 2 迷走神经刺激术与难治性癫痫 1 2 1 迷走神经刺激术 作为人和高级动物活动的司令部和信息中心，人脑可以同时处理多样信 息，神经网络研究的主要目的就是为了深入的了解生物中脑是如何工作的，要 想了解神经网络与脑功能之间的关系，并进而改善神经忘了的行为，就需要对 实际的神经忘了结构特征有很好的了解，并且在这个的基础上建立合适的网络 结构模型。非常多的神经元构成了生物神经网络，且这些神经元的功能，结构 都是不一样的，这就注定了在研究中的复杂性，但是生物神经网络对于生物体 的各种生物功能具有良好的调节作用，所以，神经科学的研究对于一些自然科 学、生命科学、信息科学、计算机科学、医学等都具有十分重要的理论意义和 实际应用价值，复杂性和非线性是我们在神经科学的研究巾需要的重要的工 具，在现在的科学研究中，神经科学与信息编码、解码也得到了人们更多的关 心与研究。 在对神经网络的研究中，如何从理论的角度来解释如此复杂的大脑结构是 现在研究的主要课题，同时，我们认为应该与生命科学发展的趋势一样应当用 系统的观点来处理大脑的活动问题，这也学会是一种可以尝试的有效方法，目 前的研究主要集中在运用复杂系统和非线性动力学来对神经网络进行研究。这 里要强调指出的是复杂系统和非线性动力学是目前的研究中比较前沿的课题， 这个研究领域也具有相当大的难度，所以在这个领域的研究中还有很多的未解 的难题，本身还不能成为一种完整的理论。因而在对神经网络的研究中，复杂 系统和非线性动力学在某种意义上可能要与大脑活动的研究相联系。神经网络 9 小世界神绎刚络刺激参数的研究 | 自目一1 1 1 | u j 自 中大量神经元的同步运动有时是生命活动所必需的，但是有时却导致了一些疾 病的发生，如果大脑部分神经元的同步运动就可以导致癫痫以及帕金森的发 作，人类的行为就处在了不受自己控制的状态。随着现在科学技术的发展以及 各国各学科之间的交叉研究，国内神经科学家和数学物理学家也展开了联合研 究，在神经放电活动的分叉与混沌、随机共振和快慢动力学分析等研究方面取 得了国际水平的研究成果1 5 1 。 颅神经刺激治疗癫痫的方法包括迷走神经刺激 1 2 - 16 1 、舌咽神经刺激f 1 刀、三 叉神经刺激【1 8 1 ，这些方法在动物实验中均取得了一定的作用，同时也成为癫痫 的治疗过程中可以考虑的方法，综合以上方法，在目前应用最为广泛且应用于 临床的是迷走神经刺激术。 早在1 9 9 4 年欧洲对于迷走神经刺激术在临床上的试用就已经批准，并且明 确的规定了试用的范围及能够治疗的病症即为局部性癫痫，在三年之后得到了 美国食品与药物管理局的批准，在一年之后就确立了迷走神经刺激术可以应用 于全身原发型癫痫。迷走神经刺激术是第一个采用植入的方式治疗癫痫的方 法，也是美国食品与药物管理局近百年来第一个批准的治疗癫痫的方法l j 引。 作为人体器官与大脑之间最重要且良好的通道，迷走神经可以将百分之八 十的神经电刺激的信号完整的传入到大脑内。迷走神经刺激术主要手法是通过 对人类左侧颈部迷走神经的刺激，以便来减少癫痫发作的程度和频率。在目前 已有的研究和实验的结果中，迷走神经刺激术的工作机制还没有一个完整的理 论，有研究显示丘脑、脑干的代谢和肢体的功能对迷走神经刺激术的治疗效果 有明显的影响【1 3 j 引，e v a n s 等通过术中对迷走神经刺激显示a 纤维在0 2 5 m a 以上的情况下都可以产生刺激信号传导，而万纤维和c 纤维并不是总能记录到 信号的传导，而且需要的电流要高，特别是c 纤维需要1m a 以上的电流才可 能产生信号传导【1 5 】。通过e v a n s 的研究结果，我们可以猜测到电流的刺激对迷 走神经刺激术治疗癫痫的过程中存在一定的意义，即不同的电流下刺激会产生 不同的效果。 在多中心的随机对照研究【1 9 】中，作者观察了大多数为顽固性的部分性癫痫 患者，在对他们进行迷走神经刺激术治疗的症状，具体的操作方法为将迷走神 经刺激器植入到人类左颈迷走神经周围，并通过刺激装置使皮下与锁骨相连。 在装置被植入到患者体内两周之后，对患者进行随机分组，一组为高刺激组， 二组为低刺激组。在接下来的两周之内对电流进行增加，达到一定值后进行稳 定治疗三个月，一组使用的是5 0 0 u s 脉冲，每秒3 0 次，刺激3 0 秒，休息5 分 钟，在接下来的1 6 周继续加大刺激，最大值是可以达到3 5 m a 。对于二组的患 者采用的是1 3 0 t s 脉冲，每秒1 次，刺激3 0 秒，休息3 小时，这两组的实验电 流都要控制在患者可以接受的范围内。同时告诉患者当癫痫发生时可以用手持 的磁铁引导刺激器产生刺激，实际的操作中，只有一组受到了磁铁引导刺激器 1 0 硕士论文 的刺激。一组9 4 人癫痫发作频率减少2 8 ，而组1 0 2 人癫痫发作频率减少 1 5 ，从数据中可以看出，两者的治疗效果是不同的，但癫痫发作频率减少 5 0 的患者比率两组没有差异，二组中的患者减少7 5 要比一组中的要高。 z w o l i n s k i 1 4 】报道了二十三例顽固性癫痫病例的治疗结果，在应用了迷走神 经刺激术的治疗两年后，8 0 的癫痫患者发作减少5 0 以上，在其中更是有 2 0 的癫痫患者停止发作。在用迷走神经刺激术治疗的患者中，美国食品与药 物管理局登记【2 0 l 了近四千例的患者，在六个月的时间内两千人的癫痫发作减 轻，在经过两年的治疗后两千四百人的病情得到控制，从这些数据可以看出， 迷走神经刺激术可以使患者的病情减轻，从而是患者的生活质量得到提高。 当然，迷走神经刺激术这种治疗方法也存在着副作用，副作用 1 2 , 1 6 1 主要表 现为患者声带的变化以及患者呼吸困难等。在近三分之一的患者会出现这种副 作用，但是患者的一些特别的生命表征数据并没有发生明显的变化，也没有出 现更加严重的并发症，所以在科学研究人员认为迷走神经刺激术目前不会对患 者的认识能力产生影响及损坏患者的认知。 美国神经科学会下属的治疗和技术委员会【l5 】对迷走神经刺激术的应用范围 进行了规定，该组织规定迷走神经刺激术只适用于十二岁以上的青少年以及成 年人所患有的顽固性部分性癫痫，同时在进行手术之前要对患者进行身体器官 各功能的检查，从而排除非癫痫存在的可能性，还要进行的检测必需包括磁共 振成像的检测。但是在目前的学术报道中，迷走神经刺激术对于何种患者的治 疗效果更加的明显还没有一个详细的结果，整个的对于迷走神经刺激术的研究 还处在一个摸索的阶段。 在二十世纪的前半期，s c h w e i t z e f 2 l 】等就报道了刺激迷走神经对于人体各种 生理活动的影响，b a i l e y 等1 2 2 j 发现迷走神经刺激术( v a g u sn e r v es t i m u l a t i o n ，v n s ) 能够对猫眶叶皮质产生同步化放电活动。在二十世纪的中期，m a c l e a n 等f 2 驯对 麻醉了的猴子大脑皮层脑电图的研究发现，迷走神经刺激会对脑电图产生影 响。几乎在相同的时间，d e i l 2 4 】也发现，迷走神经刺激术对生物结构的边缘结构 有影响。一直到二十实际八十年代的中期，z a b a r a 2 5 j 首次才从实验动物模型表 述了迷走神经刺激术对癫痫的治疗机能。在前期的研究中，对于迷走神经的研 究已经有解剖的实验数据作为基础，z a b a r a 得知迷走神经刺激术能够使癫痫发 作时运动状态、植物神经及意识状态发生变化，终于在1 9 9 2 年1 2 6 j 提出迷走神 经刺激对癫痫的治疗拥有的方法，一是对癫痫性活动起始情况、扩散直接的抑 制作用，二是由刺激而产生的远期抑制作用。 1 2 2 难治性癫痫 所谓难治性癫痫，又被称为顽固性癫痫，就