具有部分耦合时滞的神经元网络的有序动力学

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神经元是生物神经网络最基本的结构和功能单位。由于信息传播速度的有限性及突触间隙的存在,神经元之间进行信息传递时通常有时间滞后效应。依赖于神经元类型、直径大小及轴突长度,神经信息的传播速度不完全相同,一些神经元进行信息传递时可以认为是瞬时的或时滞能够忽略,这使得神经元网络中只有部分神经元之间存在耦合时滞(简称为部分耦合时滞)。在钙、钠、钾离子浓度涨落影响下,神经细胞内外的电磁场分布发生相应改变,即神经系统内存在电磁感应。同时,神经元普遍会受到各类噪声的干扰。神经元的放电行为离不开神经系统内外极其复杂的环境状况。鉴于此,本文利用神经动力学的理论及随机模拟的方法,研究了随机噪声和电磁感应环境下,具有耦合时滞特别是部分耦合时滞的神经元网络的有序放电动力学特性。本文的主要内容和结论如下:1、考虑到脑皮层神经系统的模块特征,构建了更加符合实际神经系统的模块神经元网络模型,该模块网络由两个分别呈现小世界性质和无标度性质的子网络构成,其局部节点为Rulkov神经元,探讨了部分耦合时滞对模块神经元网络时空有序动力学的作用。数值模拟的结果表明:当不考虑部分耦合时滞时,不依赖于子网络间的耦合强度,合适强度的高斯白噪声可以诱导模块神经元网络出现相干共振。随着部分耦合时滞的引入,当部分耦合时滞调整到合适值时,发现部分耦合时滞可以诱导模块神经元网络涌现多重时空有序。进一步研究了解到,多重时空有序现象是耦合时滞长度与内在振荡周期相锁的结果。最后的研究表明部分耦合时滞诱导的多重时空有序对时滞连接概率、网络结构的关键参数如小世界子网络的重连概率与平均度、无标度子网络的初始节点、模块神经元的规模具有鲁棒性。2、由于生物神经系统中电磁感应的存在性,在第一部分的研究基础上,本部分首先构建了电磁感应环境下具有NW小世界特性的FitzHugh-Nagumo神经元网络模型,其中不规则的电磁辐射通过高斯白噪声来模拟。其次借助于相干共振和空间同步指标,研究了电磁辐射和耦合时滞对神经元网络有序放电模式的作用。数值模拟的结果表明,当不考虑神经元网络中的耦合时滞时,对于感应电流的正反馈增益,存在一个适中的噪声强度,使得神经元网络出现有序放电模式;然而对于感应电流的负反馈增益,有序放电模式可以出现在一个较大的噪声强度范围内。当在神经元网络中引入耦合时滞尤其是部分耦合时滞时,发现噪声诱导的有序放电模式可以间歇性地出现,而且有序放电模式不受神经元网络的平均度和时滞连接概率变化的影响。
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