神经元放电起始动态机制分析与控制研究

发布时间：2019-02-18 10:18

【摘要】：针灸是中国医学的重要组成部分，长期的临床实验已经证明其有效性。相同的中医针刺手法作用于不同的穴位会产生不同的效果，目前这种差异性产生机理尚不清楚。经颅磁刺激（TMS）和经颅电刺激（TDCS）是治疗神经疾病的有效手段，然而相同作用形式对不同个体的效果存在差异。神经系统通过对外部刺激信号进行编码实现信息传递和接收，相同刺激产生不同作用的内在机理是神经元放电起始动态机制不同。本文提出外部刺激通过改变神经元放电起始动态影响神经元编码的假说，以期解决针刺神经元编码、TMS作用机制的科学问题。首先，针对针刺神经元编码机制问题，本文首次将针刺等效为电流刺激，研究刺激输入参数、神经元固有离子通道特性对神经元放电阈值的影响机制，建立神经元的放电阈值方程。发现与三类神经元兴奋性对应的离子电导取值区域，证明神经元的兴奋性类型由阈下离子电流激活曲线形状决定。其次，为了研究TMS影响神经元编码的机制，本文首次建立TMS感应外电场作用下的最小神经元模型，分析交流外电场作用下神经元的放电模式。采用相平面和分岔分析外电场影响兴奋性的动力学机制，通过研究发现外电场作用影响阈下电位处不同动力学离子电流竞争结果，从而导致三种不同放电模式。然后，根据神经元阈下电流与放电起始动态机制的关系，首次提出一种采用Wash-out滤波器动力学控制方法，实现神经元兴奋性转换控制。通过研究发现Wash-out滤波器通过影响阈下离子电流竞争结果改变Hopf分岔点的位置。再次，闭环电生理实验是实现神经元编码改变的有效方法，可任意改变神经元编码。针对神经元模型的不确定性和噪声影响，首次提出设计闭环电生理实验思路。选取随机HH单室和多室模型为控制对象，采用自适应模糊控制方法实现异常放电起始与放电传播控制，通过研究发现噪声影响神经元平衡点稳定性，从而产生异常编码。最后，针对神经髓鞘缺失症电刺激闭环电生理控制和神经元内部状态不可测问题，首次提出一种基于卡尔曼滤波器估计的状态反馈跟踪控制方法，实现髓鞘缺失症异常编码跟踪正常单次放电模式，抑制异常编码模式沿轴突传播，通过研究发现异常编码的动力学基础是离子电导改变导致Hopf分岔产生，，同时证明此控制方法输出电流处于神经元能承受的生理电流范围之内，可以用于闭环电生理实验控制。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R245;TN911.7

【参考文献】