興奮性自突觸引起神經簇放電頻率降低或增加的非線性機制*

2020-05-16 09:57:28華洪濤陸博古華光

物理學報 2020年9期

華洪濤陸博? 古華光

1) (河南科技學院數學科學學院, 新鄉 453003)

2) (同濟大學航空航天與力學學院, 上海 200092)

興奮和抑制性作用分別會增強和壓制神經電活動, 這是神經調控的通常觀念, 在神經信息處理中起重要作用.本文選取了放電簇和閾下振蕩相交替、放電簇谷值小于閾下振蕩谷值的Homoclinic/ Homoclinic型簇放電, 研究發現時滯和強度合適的興奮性自突觸電流作用在放電簇的谷值附近時, 能引起簇內放電個數降低,并進而導致平均放電頻率降低, 這是不同于通常觀念的新現象.進一步, 用快慢變量分離獲得的分岔和相軌跡, 揭示了閾下振蕩和放電簇分別對應快子系統的閾下和閾上極限環, 興奮性自突觸電流引起閾上極限環向閾下極限環的轉遷導致放電提前結束是頻率降低原因.并與近期在Fold/Homoclinic簇放電報道的興奮性自突觸誘發的簇內放電個數降低但放電頻率增加的現象和機制進行了比較.研究結果豐富了神經電活動的反常現象并揭示了背后的非線性機制, 給出了調控簇放電的新手段, 揭示了興奮性自突觸的潛在功能.

1 引言

動物及人的基本生理功能是受神經系統調控的, 而神經元是神經系統功能與結構的基本單位.神經元的電活動與神經元之間突觸的化學活動參與神經系統信息處理與信息加工[1?4].神經元電活動包括靜息(resting state)、閾下振蕩(subthreshold oscillation)、峰放電 (spiking)模式和簇放電(bursting)模式[5?7].放電模式及不同模式間的轉遷能夠通過理論模型進行數值模擬和分岔理論進行解釋[8?16].一方面, 非線性動力學的發展促進了神經科學的研究, 另一方面, 神經科學實驗中發現復雜以及反常的非線性現象也促進了非線性動力學理論的完善.比如, 一般概念下, 通常用抑制性作用或者負向激勵來降低神經元電活動(如平均放電頻率降低或放電變為靜息等), 用興奮性或者正向作用來提高神經元電活動(如平均放電頻率增加或靜息變為放電等).但是, 在單一神經元中, 有研究發現了與這些常規概念不同的非線性現象, 比如, 抑制性作用或激勵能導致放電頻率不是降低而是增加或簇放電模式的簇(burst)內峰(spike)個數不是降低而是增加[17?20], 興奮性作用能導致簇內峰個數減少[21], 而且能夠用分岔給出合理解釋.此外, 在網絡層次, 通常情況下, 抑制性耦合會引起反相同步, 而一些學者則發現抑制性耦合也能誘導同相同步[22?25], 并在龍蝦口胃神經節的幽門網絡的實驗中得以證實[22], 這與通常的觀點也是相反的.最近, 在理論模型發現, 興奮性耦合網絡可以引起同步的放電變為靜息[26], 這也不同于興奮性作用引起放電增強的通常觀念.

興奮性或抑制性自突觸的自反饋調控是引起與常規概念不同現象的重要途徑之一[18,20,21,27,28].自突觸是指通過一定的回路連接到自身胞體的突觸結構, 這一結構在大腦皮質和皮層、視覺皮層、小腦、紋狀體和海馬等區域廣泛存在[29?41].自突觸的功能實現是有時滯的, 不同的時滯使得自突觸電流脈沖作用在神經電活動的不同相位調控放電節律.自突觸在調節單神經元的放電節律和網絡的復雜時空行為方面起到了廣泛的作用[42?55], 如放電精確性[34]、持續性放電[35]、放電頻率、同步和波等.其中, 大多數研究關注了自突觸符合通常概念的行為, 如實驗發現的抑制性自突觸壓制放電[35]和興奮性自突觸促進放電[40]等.但是, 近期的研究還發現抑制性自突觸能引起不同于通常概念的反常現象, 包括引起靜息變為放電[41]、簇內峰放電個數增加[19,25,51]、擴大而不是縮小放電參數區間[20,52]和增強而不是壓制信息傳遞[53]等.例如, 在神經電生理實驗發現的抑制性自反饋誘發靜息變為放電[41].然而, 相比于抑制性自突觸, 興奮性自突觸誘發的不同于通常現象的反常現象還相對較少[21,54].對于靠近Hopf分岔的峰放電, 時滯較短的興奮性自突觸會引起放電頻率降低, 并能利用II型相位響應曲線進行理論解釋[54].而對于簇放電, 時滯合適的興奮性自突觸能夠引起簇內放電個數的減少[21].因此, 探尋興奮性作用能夠降低簇放電的平均放電頻率的條件和機制, 是拓展非線性動力學內涵的重要科學問題, 也是神經動力學中調控神經電活動和神經信息的重要手段.

簇放電模式是神經系統最常見的放電模式之一, 被認為在信息處理中有重要作用[3].簇放電產生于由快、慢變量構成的多時間尺度系統[5?7].簇放電模式的行為是連續快速(多個)放電峰構成的簇和休止期(quiescent state)或閾下振蕩的交替,利用快慢變量分離(fast-slow variable dissection)方法獲得分岔可以區分簇放電的不同類型和解釋簇放電的生成和轉遷機制.一般而言, 快子系統產生靜息或小幅極限環與大幅極限環的共存行為; 靜息對應休止期或小幅極限環對應閾下振蕩, 而大幅極限環對應放電.放電簇與休止期或閾下振蕩的轉遷對應于兩個分岔, 靜息或小幅極限環的分岔和大幅極限環的分岔.因此, 該兩個分岔可以解釋命名簇放電模式的類型和揭示自發簇放電和興奮或抑制作用下的簇放電的動力學行為[7,21].例如, 可以用于解釋抑制性自突觸誘發簇內放電個數增加[18,51]和興奮性自突觸誘發簇內放電個數降低[21].例如,文獻[21]研究的是Fold/Homoclinic簇放電模式,其行為是簇和休止期的交替.抑制性自突觸能夠誘發Fold/Homoclinic簇放電模式的簇內放電個數降低, 但是不能誘發平均放電頻率降低.因此, 本文將選取一個新的簇放電模式, 繼續探討興奮性自突觸對平均放電頻率的調控作用.

本文將選取文獻 [7]中改進FHN模型模擬的Homoclinic/Homoclinic型簇放電模式, 與文獻[21]的Fold/Homoclinic簇放電有以下是三個不同: 一是該簇放電是放電簇和閾下振蕩的交替, 閾下振蕩代替了休止期; 二是放電簇的谷值低于閾下振蕩的谷值, 而Fold/Homoclinic簇是休止期的膜電位低于放電簇的膜電位; 三是兩類簇的快子系統的分岔不同.對Homoclinic/Homoclinic簇放電施加興奮性作用后的研究結果如下: 1) 強度適當的興奮性常值脈沖電流作用到放電簇的谷值附近, 能使放電行為躍遷到閾下振蕩, 提前結束放電進而減少放電次數; 與文獻[21]的簇內放電個數降低是刺激誘發的從休止期到放電的轉遷不同; 2)適當時滯和強度的興奮性自突觸的突觸電流作用到放電簇的谷值附近, 能減少簇內放電次數, 并且引起平均放電頻率的顯著降低; 3) 其他時滯或強度的興奮性自突觸引起放電頻率增加; 4) 通過快慢變量分離獲得的分岔結合相軌線的變化, 解釋了上述符合常規概念和反常規概念的現象, 并與文獻中的Fold/Homoclinic簇的結果進行了比較.本文的研究結果給出了新的反常規現象的示例, 特別是拓展了興奮性作用引起放電頻率降低的現象和機制, 提供了調控神經元平均放電頻率的新途徑, 豐富了非線性動力學內涵, 更為全面和深入地認識了興奮性作用對神經電活動的影響.

2 模型和方法

2.1 改進的FitzHugh-Nagumo模型

由 FitzHugh[56]和Nagumo等[57]提出的二維FitzHugh-Nagumo (FHN)模型雖然形式簡潔, 但能揭示神經元活動的本質, 被廣泛研究[58?64].但是, 二維FHN模型只能描述峰放電, 不能描述簇放電.有研究者在二維FHN模型中引入慢變量u的調節, 形成改進FHN模型[7], 能夠描述簇放電.改進的FHN模型的方程式如下:

式中V是電壓變量, 用于模仿神經元的膜電位;w是恢復變量, 模仿向外電流的激活; u為慢調控變量.其中為 S 型函數, 這樣系統會存在大的鞍同宿軌分岔[7].參數值為 e = 1, μ = –0.01, b = 1.3, c = –0.32, d =0.05.模型是無量綱的.

2.2 外界脈沖電流激勵下的改進FHN模型

在方程(1)中引入外界脈沖電流I(t)=A×I?t+?T(t), 方程 (2)和 (3)不變, 得到具有脈沖激勵的改進FHN模型, 其第一個方程如下:

其中 A, Dt, DT 為常數, 振幅 A 表示脈沖強度,DT表示脈沖作用時間寬度, Dt為脈沖發放時刻,下標 Dt + DT 表示時間區間 [ ? t,?t+ ?T].當t屬于 [ ? t,?t+ ?T]時, IDt + DT(t) = 1, 當 t不屬于 [ ? t,?t+ ?T]時 , I?t+?T(t)=0.A<0 表示抑制性脈沖, A > 0 表示興奮性脈沖.

2.3 具有自突觸的改進FHN模型

在方程(1)中引入自突觸介導電流Iaut(t)[18,21],方程(2)和(3)保持不變, 得到具有自突觸的改進FHN模型, 其第一個方程如下:

式中 , Iaut(t)= ?g[V(t)?Vsyn]Γ [V(t? τ)], 其中 ,Γ [V(t? τ)]=1/{1+exp[?λ(V(t? τ)? θs)]}, g 為自突觸的電導, Vsyn為自突觸的反轉電位, t為突觸電流和膜電位之間的時間延遲, qs為自突觸的閾值電位, 當 V(t – t) > qs時 G [V(t – t)]≈ 1, 即得到不為零的自突觸電流 Iaut(t), 當 V(t – t)

興奮性自突觸 Iaut(t)的參數如下: l = 30,Vsyn= 1.5, qs= 1.22.參數 t 和 g 為調控參數.

2.4 快慢變量分離的流程

快慢變量分離方法是研究簇的不同類型的常用方法[7,18,21], 也被擴展地用于揭示興奮性或抑制性作用下放電軌跡變化的動力學[18,21].本文也用該方法研究改進FHN模型, 一是展示簇放電類型,二是興奮性作用下放電模式和軌跡變化的動力學.快慢變量分離的步驟主要有兩步:

一是確定快子系統并計算其分岔, 這是快慢變量分離的關鍵.

由于|μ| = 0.01 ? 1, 變量 u 為慢變量, 方程 (3)為慢子系統, 方程(1)和(2)組成快子系統:

此時, u是快子系統的分岔參數.對快子系統進行平衡點和極限環的分岔計算或分析.為與快子系統區別, 方程 (1)—(3)稱為全系統; 方程 (2), (3), (4)構成有脈沖激勵的全系統, 方程 (2), (3), (5)構成有自突觸的全系統.

二是求出全系統的簇放電軌跡, 基于快子系統的分岔認識簇放電的動力學.對于改進的無自突觸的FHN模型, 將快子系統的分岔和簇放電軌跡共同畫在一個相圖內, 識別簇放電的類型.對于有自突觸的改進FHN模型, 將快子系統的分岔和自突觸電流作用后的簇放電的軌跡畫在同一幅圖中, 來認識簇放電軌跡的運行與分岔的關系, 進一步認識興奮性作用影響放電的動力學機制.

2.5 計算方法

在本文關注的參數范圍內, 全系統的模型增量部分在考慮的閉域內一致連續且可微, 滿足Lipschitz條件, 所以滿足四階Runge-Kutta單步定步長算法的收斂性、穩定性條件.在本文關注的范圍, V 的區間為 [–2, 1.6], w 的區間為 [–1.4, 1.8],利用數值分析的計算結果可知: 積分步長滿足h <0.4368時, 四階Runge-Kutta方法是絕對穩定的.通過數值實驗對積分誤差進行估計, 驗證了四階Runge-Kutta法在計算過程中不會發生降階, 截斷誤差為O(h5).因此, 本文采取四階Runge-Kutta單步定步長算法[65]求解模型, 步長為0.05.我們也比較了其他步長, 如 1/32, 1/64, 1/128 和 1/256,結果差別很小, 對于本文關注的放電頻率的增加和降低及放電模式的結果沒有影響.拋掉的暫態時長為2000, 其后計算時長為5000的穩態放電行為用于計算平均放電頻率.

平均放電頻率定義為一個周期內峰個數除以一個周期持續時長.應用MATLAB軟件數值計算和作圖.

2.6 分岔計算或分析

對于強非線性的神經元電活動模型, 利用XPPAut和Matcont軟件[66]計算分岔是目前通用的手段.因此, 為了與眾多研究一致, 本文采用Matcont軟件, 采用 ODE45 積分方法, 計算時絕對誤差和相對誤差均小于 10?9, 以保證計算誤差.此外, 我們也利用Hopf分岔定理計算了快子系統的超臨界Hopf分岔(平衡點的雅克比矩陣的特征值出現純虛根和第一李雅普諾夫系數為負值), 結果與軟件計算結果一致.

3 仿真結果

3.1 簇放電:閾下振蕩和簇內放電的交替

改進FHN模型全系統表現出周期8簇放電模式, 該簇放電行為的一個典型特征是閾下振蕩和簇內的8個峰(spike)交替, 示意圖可參見文獻[7]的圖88.

相比文獻[7], 本文給出了該簇放電的更多特征, 如圖1(a)所示.周期(從開始到圖中空心小圈)約為 141.15, 平均放電頻率為 f0= 0.0567.閾下振蕩(t < 60)的最大值小于0, 表現為7次振蕩.簇內的 8 個峰 (60 < t < 140)的最大值大于 1, 為閾上放電模式.閾下振蕩的第1—7個谷分別出現在 t = 9.45, 16, 22.7, 29.75, 37.3, 45.8 和 56.9, 持續時間(第1—7個谷)約為47.5; 閾上放電的第1—8 個谷值分別出現在 t = 69.7, 78.35, 87.15,96.2, 105.55, 115.25, 125.5 和 136.65, 周期 8 簇的持續時間(第1—8個峰)約為67.該周期8簇放電的另一個典型特征就是放電峰峰間谷值的膜電位比閾下振蕩的膜電位要低.

3.2 簇放電的復雜動力學:兩個極限環的交替

文獻[7]的圖88給出了周期8簇放電在三維空間的快慢變量分離的示意圖, 將周期8簇識別為Homoclinic/Homoclinic型簇放電.我們進一步展示了該簇放電的快慢變量分離的具體結果和特征, 如圖1(b)和圖1(c)所示.

首先, 將慢變量u作為分岔參數, 研究快子系統(6)和(7)的分岔.在圖1(b)中, 快子系統的平衡點曲線呈“S”形.L1和L2為兩個鞍結分岔點,H1和H2分別是位于平衡點曲線下支和上支的兩個超臨界Hopf分岔點.圖中黑色實線表示穩定平衡點, 黑色點劃線表示穩定焦點, 藍色短劃線表示不穩定焦點, 藍色點線為鞍點.其中下支從左到右依次為穩定結點、穩定焦點、H1、不穩定焦點、L1;中支為鞍點, 不穩定; 上支從左到右依次為L2、不穩定焦點、H2、穩定焦點.

其次, 研究快子系統的極限環及分岔, 結果如圖1(b)所示.平衡點上支的超臨界 Hopf分岔H2分岔出穩定的大幅值極限環, 本文稱為閾上極限環, 其最大值 Vmax2(最小值 Vmin2) 對應上 (下)紅實線.平衡點下支的超臨界Hopf分岔H1分岔出另一下小幅值穩定極限環, 本文稱為閾下極限環, 其最大值 Vmax1(最小值 Vmin1)對應上 (下)洋紅實線.閾上極限環的最小值Vmin2低于閾下極限環的最小值Vmin1.閾上、閾下極限環分別經過位于 u1= –0.7600221 和 u2= –0.959267 的鞍-同宿軌 (saddle-homoclinic, SH)分岔點 SH1和 SH2消失.當 u1< u < u2時, 快子系統出現閾上和閾下極限環的共存.

再次, 將全系統產生的簇放電的相軌線疊加到快子系統的分岔圖中, 利用快子系統的分岔來認識簇放電的復雜動力學, 如圖1(c)和圖1(d), 圖1(d)為圖1(c)的放大圖.可以發現周期8簇放電的相軌跡與快子系統的分岔具有密切關系.簇放電模式的7個閾下振蕩位于快子系統的分岔曲線下支的穩定極限環(洋紅色實線)上; 隨著t的增加, u跟著增加, 閾下振蕩向不穩定的鞍點靠近, 最終經由鞍-同宿軌分岔SH1, 閾下振蕩結束并轉遷到閾上穩定極限環 (紅色); 此后, 隨著 t的增加, u 逐漸減小, 依次呈現出簇內的8個峰, 最終經由鞍-同宿軌分岔SH2峰放電結束, 并轉遷到閾下振蕩, 開始下一個周期的活動.因此, 從閾下振蕩到簇內8個峰放電的轉遷對應鞍-同宿軌分岔SH1, 簇內8個峰放電到閾下振蕩的轉遷均分別對應對應鞍-同宿軌分岔SH2, 因此, 此簇放電模式為經由Homoclinic/Homoclinic滯后環的Homoclinic/Homoclinic型簇放電, 其動力學行為在閾上和閾下極限環之間的轉遷.

圖1 改進 FHN 模型簇放電模式及其快慢變量分離 (a) 周期 8 簇 (圓圈對應 V = –0.3396, t = 141.15); (b) 快子系統的分岔,其中黑色實線、黑色虛線、藍色點線和藍色虛線分別表示穩定結點、穩定焦點、鞍點和不穩定焦點; L1和L2為兩個鞍結分岔點、H1和H2為兩個Hopf分岔點; 從H1開始的上下兩個洋紅色實線分別表示閾下穩定極限環的最大值與最小值, SH1為鞍同宿軌分岔點, 對應u1 = –0.760022; 從H2開始的上、下兩個紅色實線分別表示閾上穩定極限環的最大值與最小值, SH2為鞍同宿軌分岔點, 對應 u2 = –0.959267; (c) 圖 (b) 與周期 8 簇放電軌線 (藍色實線) 的疊加; (d) 圖 (c)的局部放大Fig.1.Bursting pattern and fast/slow variable dissection of the modified FHN model.(a) Period-8 bursting pattern (the position of the hollow circle corresponds to V = –0.3396 and t = 141.15).(b) The bifurcations of the fast subsystem.The black solid line, black dashed line, blue dotted line, and blue dashed line represent the stable node, the stable focus, the saddle, and the unstable focus.There are two fold bifurcation points of equilibrium point L1 and L2 and two Hopf bifurcation points H1 and H2.The maximum(minimum) value of the subthreshold stable limit cycle is represented by the upper (lower) magenta solid line, and the homoclinic bifurcation point SH1 corresponds to u1 = –0.760022.The maximum (minimum) value of the suprathreshold stable limit cycle corresponds to upper (lower) solid red line, and the homoclinic bifurcation point SH2 corresponds to u2 = –0.959267.(c) The trajectory of period-8 bursting (solid blue line) and panel (b) plotted in one figure.(d) The partial enlargement of panel (c).

最后, 研究快子系統和全系統在相平面(w, V)的動力學行為.當 u1< u < u2時, 快子系統出現雙穩極限環.u = –0.8513 的行為如圖2(a)所示:紅色和洋紅色粗虛線分別為閾上和閾下穩定極限環, 藍色點線和虛線分別為的零值線, 兩條零值線的3個交點為平衡點, 中間的為鞍點、兩邊的兩個為不穩定焦點.兩個極限環在V取極小值附近彼此接近.圖2(b)為圖2(a)與全系統的周期8簇放電的軌線在相平面(w, V)的投影(藍色實線)的疊加.如圖2(b)所示, 閾上放電的軌線的投影在閾上極限環(紅色虛線)附近, 閾下振蕩的軌線的投影在閾下極限環(洋紅色虛線)附近, 也展示了周期8簇放電是在閾上和閾下極限環間的轉遷.

3.3 興奮性作用引起簇內放電峰個數降低的推測

圖2 改進 FHN 模型的快子系統和全系統在相平面 (w, V)的動力學行為 (a) u = –0.8513時快子系統的閾上極限環 (紅色虛線)和閾下極限環(洋紅色虛線), 箭頭表示軌線運行方向, 的零值線(藍色點線)和的零值線(藍色虛線), “□”表示不穩定焦點, “○”表示鞍點; (b)全系統周期8簇放電的軌線在相平面(w, V)的投影(藍色實線, 箭頭為運行方向)與圖(a)中閾上(紅色虛線)和閾下極限環(洋紅色虛線)的疊加Fig.2.Dynamical behavior of fast subsystem and whole system in plane (w, V) of the modified FHN model: (a) The suprathreshold stable limit cycle (red dashed line), the subthreshold stable limit cycle (magenta dashed line), the direction of the trajectory(arrow), and the nullcline of (blue dotted line) and (blue dashed line) of the fast subsystem corresponds to u = –0.8513; “□”represents the unstable focus, and “○” represents the saddle; (b) the projection (solid blue line) of period-8 bursting of the whole system onto the phase plane (w, V), and suprathreshold stable limit cycle (red dashed line) and the subthreshold stable limit cycle(magenta dashed line) in panel (a) plotted in one figure.

根據圖1和圖2可以進行以下推測: 在周期8簇放電的峰峰之間的谷值上, 也就是膜電位的極小值附近, 對應快子系統的閾上極限環的最小值附近, 給予強度合適的興奮性刺激, 膜電位V會抬升, 有可能引起系統行為轉遷到閾下振蕩, 也就是閾下極限環附近, 因此, 系統原先的簇放電結束、使得簇內放電個數少于8個, 產生新的放電節律.

3.4 興奮性常值脈沖刺激引起簇內放電峰個數降低

上述推測可以通過施加常值脈沖AI?t+?T(t)進行驗證.其中 A = 0.08, DT = 1, 當延遲 Dt取合適值且振幅A大于閾值時, 將會使系統從閾上極限環躍遷到閾下極限環, 從而開始閾下振蕩, 簇內的8個峰放電提前結束, 形成的簇內少于8個峰的放電.如果A小于閾值則不會出現狀態躍遷, 延續放電模式.

圖3左列的圖3(a1)—(g1)分別為常值脈沖作用在第1—7個放電谷值附近的情形, 圖中藍色虛線為原系統周期8簇放電, 綠色實線為常值脈沖,黑色實線為常值脈沖作用下的放電.“●”標記脈沖作用時刻, “?”表示脈沖作用前的放電峰的峰值且方向向右.從圖3左列的圖3(a1)—(g1), 系統躍遷到閾下極限環, 分別經過 2, 3, 4, 4, 5, 6 和 7 個閾下振蕩或再經歷9個峰的簇然, 后恢復到周期8簇放電, “■”代表恢復簇放電的第1個峰值; 可以發現, 在興奮性脈沖作用下, 簇內放電提前結束, 產生包含1—7個峰的簇放電.圖3右列的圖3(a2)—(g2)中實線對應左圖的“?”到“■”段在相平面(w, V)上的軌線, 同時“?”也表示軌線沿順時針方向運行, 虛線為快子系統在 u = –0.8513 時兩穩定極限環, 紅(洋紅)色虛線表示閾上(下)極限環.可以發現, 興奮性脈沖作用(相位●)下, 放電峰結束, 系統轉遷為閾下振蕩(相位◆), 然后再恢復到簇放電(相位■).

3.5 興奮性自突觸引起簇內放電個數和放電頻率降低

自突觸電流Iaut(t)=?g[V(t)?Vsyn]Γ[V(t?τ)],表現出脈沖特征.脈沖的強度主要由自突觸電導g確定, 脈沖的作用相位主要由時滯t決定.自突觸中參數t和g取值合適時, 興奮性自突觸作用下的改進FHN模型可以呈現多種放電模式, 甚至其平均放電頻率會小于無自突觸時的平均放電頻率f0.

3.5.1 自突觸電流作用在第1個放電峰后的谷值附近 (t = 3.75)

如圖4 所示, 當 g = 0.02, t = 3.75 時, 自突觸電流作用在第1個放電峰后的谷值附近, 誘導出1個峰放電和2個閾下振蕩交替的新放電模式,簇內放電個數降低, 平均放電頻率 f = 0.0367, 低于無自突觸時的平均放電頻率 f0= 0.0567.

圖3 興奮性脈沖(綠色實線)作用在周期8簇放電(藍色點線)的簇內第1—7個谷值附近, 使系統躍遷到閾下極限環(洋紅色虛線) 提前結束放電 (黑色實線), 然后分別經過 2, 3, 4, 4, 5, 6 和 7 個閾下振蕩后先是經過 9 個放電峰, 然后恢復到周期 8 簇放電(a1), (a2) Dt = 69.7, 作用在第 1 谷值附近; (b1), (b2) Dt = 78.35, 作用在第 2 谷值附近; (c1), (c2) Dt = 87.15, 作用在第 3 谷值附近; (d1), (d2) Dt = 96.2, 作用在第 4 谷值附近; (e1), (e2) Dt = 105.55, 作用在第 5 谷值附近; (f1), (f2) Dt = 115.25, 作用在第 6 谷值附近; (g1), (g2) Dt = 125.5, 作用在第 7 谷值附近; 左列, 放電; 右列, 對應左列圖中“?”到“■”之間部分在相平面 (w, V) 的軌跡(黑實線)和快子系統的閾上(紅虛線)和閾下(洋紅虛線)極限環的軌跡圖(u = –0.8513); “?”表示脈沖作用前放電峰的峰值的位置和軌線的順時針運行方向, “●”表示脈沖作用相位, “■”表示恢復簇放電后的第1個峰值Fig.3.Transition from suprathreshold stable limit cycle (dashed red line) to subthreshold stable limit cycle (dashed magenta line)to terminate the firing (solid black line) in advance induced by excitatory impulse (solid green line) applied at suitable phase near the 1st to 8th trough within burst of the period-8 bursting (dotted blue line), and recover to period-8 bursting after 2, 3, 4, 4, 5,6 and 7 subthreshold oscillations and one period-9 bursting.(a1), (a2) Dt = 69.7, application phase near the 1st trough; (b1), (b2)Dt = 78.35, application phase near the 2nd trough; (c1), (c2) Dt = 87.15, application phase near the 3rd trough; (d1), (d2) Dt =96.2, application phase near the 4th trough; (e1), (e2) Dt = 105.55, application phase near the 5th trough; (f1), (f2) Dt = 115.25, application phase near the 6th trough; (g1), (g2) Dt = 125.5, application phase near the 7th trough.Left column: bursting; Right column: The projections (black solid line) in the phase plane (w, V) corresponding to the part between “?” and “■” of the corresponding left figure, and the suprathreshold stable limit cycle (red dashed line) and the subthreshold stable limit cycle (magenta dashed line) corresponding to u = –0.8513 plotted in one figure; “?” represents the peak of the spike within burst before the pulse stimulation and clockwise direction of the trajectory, “●” represents the application phase of the pulse, and “■” represents the first peak after the recovery of bursting.

圖4(a)中藍色虛線為原周期8簇放電模式,自突觸電流(上方黑色實線)作用下的新放電模式時間歷程如圖中下方黑色實線; 其中“?”表示脈沖作用前的放電峰和軌線運行方向, “●”標記脈沖作用時刻, “◆”表示新放電節律的第1個閾下振蕩的峰值, “■”代表經過2個閾下振蕩后恢復放電的峰.第1個放電峰產生后, 會誘發自突觸電流脈沖, 經過延時t = 3.75作用到第1個放電峰后的谷值附近, 導致原先應該產生的第2個放電峰消失, 變為閾下振蕩; 然后自突觸電流變為接近0, 系統經過兩次閾下振蕩后再次放電, 進入下一個簇周期.

圖4(b)為放電的?到■段在相平面(w, V)中的投影, 從一個放電峰的峰值處?出發, 沿靠近紅線的閾上極限環附近的黑線逆時針運行到●, 在自突觸電流脈沖作用下, 原先應該沿紅線的運行軌道轉變為沿黑線的運行軌道, 經歷靠近洋紅色閾下極限環附近的兩次閾下振蕩, 恢復到放電的峰值處■.紅色和洋紅色的虛線圈分別對應閾上和閾下極限環 (u = –0.8513).新放電節律的軌線是在閾下振蕩和放電之間的轉換.

圖4 具有興奮性自突觸的改進 FHN模型在 g = 0.02和t = 3.75時的新放電模式及其快慢變量分離 (a) 周期8簇(藍色點線)在興奮性自突觸電流(上黑色實線)作用下誘導出新的放電模式(下黑色實線); (b)自突觸的作用下新模式(?到■時段)在相平面(w, V )的投影, 軌線在相位●從閾上極限環(紅色虛線)躍遷到閾下極限環(洋紅色虛線); (c) 新放電模式(?到■時段) 在相平面 (u, V )的投影; (d) 圖 (c)與快子系統分岔圖1(b)的疊加Fig.4.A novel bursting pattern and the corresponding fast/slow variable dissection of the modified-FHN model with excitatory autapse when g = 0.02 and t = 3.75: (a) The new bursting pattern (lower solid black line) induced by excitatory autaptic current(upper solid black line) acted on the period-8 bursting (dotted blue line); (b) projection of the new pattern (from ? to ■ in panel(a)) on phase plane (w, V ); at the phase ●, the trajectory of the new pattern (from ? to ■ in panel (a)) jumps into the subthreshold stable limit cycle (dashed magenta line) from suprathreshold stable limit cycle (dashed red line); (c) the projection of the trajectory of the novel bursting pattern (from ? to in panel (a)) on the plane (u, V ); (d) the panel (c) and the bifurcation of the fast subsystem Fig.1(b) plotted in one figure.

新放電節律在閾下振蕩和放電之間的轉換還可以從圖4(c)和圖4(d)中看出.新放電節律?到■的時段在 (u, V)平面的相圖如圖4(c)所示, 而該相軌線與快子系統的分岔的位置關系如圖4(d)所示.可以明確看出, 從?(對應圖4(a)中的?, 但表示方向向左)到●, 系統從放電變為閾下振蕩,經歷兩次閾下振蕩恢復到放電峰值■.

3.5.2 自突觸電流作用在第2個放電峰后的谷值附近 (t = 12.6)

當 g = 0.02, t = 12.6 時, 如圖5 所示, 自突觸電流作用在第2個放電后的谷值附近, 會誘導出較為復雜的新放電模式, 其1個周期的行為依次包括2個峰放電、1個閾下振蕩、2個峰放電和5個閾下振蕩.新放電模式的簇內放電個數降低, 平均放電頻率為 f = 0.049, 低于無自突觸時的平均放電頻率 f0= 0.0567.

如圖5(a)所示, 藍色虛線為原周期8簇放電模式, 上方黑色實線為自突觸電流, 下方黑色實線為新放電模式時間歷程.符號“?”, “●”, “◆”和“■”分別表示脈沖作用前的放電峰(運行方向), 第1個脈沖作用時刻, 新放電節律的第1個閾下振蕩的峰值和經過1個閾下振蕩后放電的峰值, 與圖4中的意義相同.第1個放電峰誘發的自突觸電流脈沖經過延時t = 12.6后, 作用到第2個放電峰后的谷值附近, 引起原先應該產生的第3個放電峰消失, 變為閾下振蕩; 而后, 第 2個放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到閾下振蕩第1個谷值后的上升段, 導致原先應該產生的第2個閾下振蕩消失, 變為閾上放電, 形成新的放電峰; 第1個新放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到第2個新放電峰后的谷值附近, 導致系統變為閾下振蕩; 而后第2個新放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到閾下振蕩第2個谷值附近, 沒能產生新的放電峰; 然后自突觸電流變為接近0, 系統經過5次閾下振蕩后再次放電, 進入下一個簇周期.

圖5 具有興奮性自突觸的改進 FHN模型在 g = 0.02和t = 12.6時的新放電模式及其快慢變量分離 (a) 周期8簇(藍色點線)在興奮性自突觸(上黑色實線)作用下誘導出新的放電模式(下黑色實線); (b) 自突觸的作用下新模式(?到■時段)在相平面(w, V )的投影, 軌線在相位●從閾上極限環(紅色虛線)躍遷到閾下極限環(洋紅色虛線); (c) 新放電模式(?到■時段) 在相平面(u, V )的投影; (d) 圖 (c)與快子系統分岔圖1(b)的疊加Fig.5.A new bursting pattern and the corresponding fast/slow variable dissection of the modified-FHN model with excitatory autapse when g = 0.02 and t = 12.6: (a) The new bursting pattern (lower solid black line) induced by excitatory autaptic current(upper solid black line) acted on the period-8 bursting (dotted blue line); (b) projection of the trajectory of the new pattern (from? to ■ in panel (a)) on phase plane (w, V ); at the phase ●, the trajectory of the new pattern (from ? to ■ panel (a)) jumps into the subthreshold stable limit cycle (dashed magenta line) from suprathreshold stable limit cycle (dashed red line); (c) the projection of the trajectory of the novel bursting pattern (from ? to ■ in panel (a)) is plotted on the plane (u, V ); (d) the panel (c) and the bifurcation of the fast subsystem Fig.1(b) plotted in one figure.

新放電模式的?到■段在相平面(w, V)中的投影如圖5(b)所示.從?所示的放電峰出發, 沿與紅線 (快子系統的閾上極限環 (u = –0.8513), 對應放電)特別近的黑線逆時針運行到●, 在自突觸電流脈沖作用下, 原先應該沿紅線的運行軌道轉變為沿黑線的運行軌道, 經歷1次閾下振蕩, 恢復到放電的峰值處■.閾下振蕩對應快子系統的閾下極限環(洋紅色的虛線圈).新放電節律的軌線是在閾下振蕩和放電之間的轉換, 也可以看作閾下極限環和閾上極限環的轉換, 只是轉換的相位和規律與原先周期8和圖4所示的新節律有不同.

圖5(c)和圖5(d)給出了新放電節律的軌線在(u, V )平面的投影, 也能展示其在閾下振蕩和放電之間的轉換.新放電節律從?到■的時段的相軌線如圖5(c)所示, 而該相軌線與快子系統的分岔的位置關系如圖5(d)所示, 從?(對應圖5(a)中的?, 但表示方向向左)到●, 系統從放電變為閾下振蕩, 也對應從閾上極限環到閾下極限環的轉換, 換經歷1次閾下振蕩恢復到放電峰值■.

3.5.3 自突觸電流作用在第3個放電峰后的谷值附近 (t = 20.65)

參數 g 不變, 當 t = 20.65 時, 自突觸電流作用在第3個峰后的谷值附近, 如圖6所示, 誘導出更為復雜的新放電模式, 在1個周期內依次出現3個峰放電、2個閾下振蕩、3個峰放電和7個閾下振蕩, 簇內總放電個數降低, 平均放電頻率 f =0.055, 低于固有平均放電頻率 f0= 0.0567.具體如圖6所示.

圖6 具有興奮性自突觸的改進 FHN 模型在 g = 0.02 和 t = 20.65 時的新放電模式及其快慢變量分離 (a) 周期 8 簇 (藍色點線)在興奮性自突觸(上黑色實線)作用下誘導出新的放電模式(下黑色實線); (b) 自突觸的作用下新模式(?到■時段)在相平面(w, V )的投影, 軌線在相位●從閾上極限環(紅色虛線)躍遷到閾下極限環(洋紅色虛線); (c) 新放電模式(?到■時段) 在相平面(u, V )的投影; (d) 圖 (c)與快子系統分岔圖1(b)的疊加Fig.6.A new bursting pattern and the corresponding fast/slow variable dissection of the modified-FHN model with excitatory autapse when g = 0.02 and t = 20.65: (a) The new bursting pattern (lower solid black line) is induced by excitatory autaptic current (upper solid black line) acted on the period-8 bursting (dotted blue line); (b) projection of the trajectory of the new pattern(from ? to ■ in panel (a)) on phase plane (w, V ); at the phase ●, the trajectory of the new pattern (from ? to ■ in panel (a))jumps into the subthreshold stable limit cycle (dashed magenta line) from suprathreshold stable limit cycle (dashed red line);(c) the projection of the trajectory of the novel bursting pattern (from ? to ■ in panel (a)) is plotted on the plane (u, V ); (d) the panel (c) and the bifurcation of the fast subsystem Fig.1(b) and plotted in one figure.

圖6中依舊沿用圖4的符號標記, 符號“?”(“?”), “●”, “◆”和“■”分別表示脈沖作用前的放電峰和運行方向, 第1個脈沖作用時刻(相位),新放電節律的第1個閾下振蕩的峰值和經過2個閾下振蕩后放電的峰值.

圖6(a)中, 原周期8簇放電(藍色虛線)在自突觸電流(上方黑色實線)作用下的新放電模式時間歷程為圖中下方黑色實線.原第1個放電峰誘發的自突觸電流脈沖經過延時(t = 20.65)作用到第3個放電峰后的谷值附近, 導致原先應該產生的第4個放電峰消失, 變為閾下振蕩; 原第2個放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到新閾下振蕩的第2個峰附近, 導致原先應該產生的第3個閾下振蕩消失, 變為閾上放電, 產生新的放電峰; 原第 3個放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到第1個新放電谷后的上升段, 促進峰的形成, 進而形成第2和第3個新放電峰; 第1個新的放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到第3個新放電峰后的谷值附近, 導致系統變為閾下振蕩; 而后第2和第3個新放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到新閾下振蕩的谷值附近, 沒能產生新的放電峰; 然后自突觸電流變為接近0, 系統經過7次閾下振蕩后再次放電, 進入下一個簇周期.

從相平面角度, 把放電的?到■段投影在相平面 (w, V )中, 如圖6(b), 軌線從一個放電峰的峰值?出發, 沿黑線和紅線順時針運行到●, 在自突觸電流脈沖作用下, 原本應沿紅線的運行軌道轉變為沿黑線的運行軌道, 經歷2次閾下振蕩, 恢復到放電的峰值■.紅色和洋紅色的虛線圈分別對應閾上和閾下極限環 (u = –0.8513), 也分別對應放電和閾下振蕩.新放電節律的軌線是在閾下振蕩和放電之間的轉換.

圖7 具有興奮性自突觸的改進 FHN模型在 g = 0.02和t = 70.6時的新放電模式及其快慢變量分離 (a) 周期8簇(藍色點線)在興奮性自突觸(上黑色實線)作用下誘導出新的放電模式(下黑色實線); (b) 自突觸的作用下新模式(圖(a)中?到■時段)在相平面(w, V)的投影; 第1個興奮脈沖作用在相位●1, 在放電峰上沒有引起放電峰大的變化; 第2個興奮脈沖作用在相位●2, 使本來應該產生的閾下振蕩變成閾上放電; (c) 新放電模式在相平面(u, V)的投影; (d) 圖(c)和原放電軌線(藍虛線)及快子系統分岔圖1(b)的疊加Fig.7.A new bursting pattern and the corresponding fast/slow variable dissection of the modified-FHN model with excitatory autapse when g = 0.02 and t = 70.6: (a) The new bursting pattern (lower solid black line) induced by excitatory autaptic current(upper solid black line) acted on the period-8 bursting (dotted blue line); (b) the projection of the trajectory of the new pattern(from ? to ■ in panel (a)) on phase plane (w, V) under the action of autapse; The nearly unchanged spike induced by the 1st excitatory autaptic current pulse acting on phase ●1 within the spike; The expected subthreshold oscillation changes to suprathreshold firing induced by the 2nd excitatory autaptic current pulse acting on phase ●2; (c) the projection of the trajectory of the novel bursting pattern is plotted on the plane (u, V); (d) the panel (c), original period-8 bursting (blue dotted line), and bifurcations of the fast subsystem Fig.1(b) plotted in one figure.

與前面類似, 新放電節律在閾下振蕩和放電之間的轉換還可以從相平面(u, V )中得出, 新放電節律?到■時段在(u, V )平面的投影如圖6(c)所示, 而該相軌線的投影與快子系統的分岔的位置關系如圖6(d)所示.可以明確看出, 從?(對應圖6(a)中的?, 但表示逆時針)經歷●到◆, 系統從放電變為閾下振蕩, 經歷2次閾下振蕩恢復到放電峰值■.

圖4—圖6中, “●”用來標記第1個自突觸脈沖作用相位, 圖4(b)和圖4(d)、圖5(b)和圖5(d)、圖6(b)和圖6(d)分別從解在兩個穩定極限環之間的狀態轉遷和快慢變量分離的方法揭示確定系統在自突觸的作用下提前結束放電, 導致平均放電頻率降低的內在動力學機制.

3.6 興奮性自突觸增強放電頻率

與常規概念相符, 在t的大多數取值中興奮性自突觸并不能降低平均放電頻率, 如圖7所示.例如, 保持 g 不變, t = 70.6, 自突觸作用在第 8 個放電后的谷值附近, 誘導出12個峰放電和8個閾下振蕩交替的新放電模式, 簇內放電個數增加, 平均放電頻率為 f = 0.0643, 大于固有平均放電頻率f0= 0.0567.

圖7(a)中藍色虛線為原周期8簇放電模式,自突觸電流(上方黑色實線)作用下的新放電模式時間歷程如圖中下方黑色實線; 沿用之前的符號:“?”表示脈沖作用前的放電峰的峰值和運行方向,“■”代表經過第2個自突觸脈沖作用后的放電峰的峰值.原第1個放電峰誘發的自突觸電流脈沖,峰值大小約為 0.0209, 經過延時 t = 70.6 作用到第8個放電峰后的下降段, 大小小于閾值 (0.7), 幾乎沒有改變膜電位V的走勢; 而后第2個放電峰誘發的自突觸電流脈沖作用到第8個放電峰后的上升段, 導致原先應該產生的第1個閾下振蕩消失, 變為閾上放電, 形成放電峰; 而后第3到第 5個放電峰誘發的自突觸電流脈沖分別作用在第9到第11個放電峰后的上升段, 導致應該產生的閾下振蕩消失, 變為閾上放電, 形成放電峰; 第 5個以后的放電峰誘發的自突觸電流脈沖大小小于閾值, 沒能誘發新的放電峰, 轉為閾下振蕩; 然后自突觸電流變為接近0, 系統經過8次閾下振蕩后再次放電, 進入下一個簇周期.

為了進一步說明自突觸促進放電的動力學機制, 如圖7(b)所示, 將時間歷程的?到■段投影到相平面 (w, V )中.軌線從一個放電峰的峰值?處出發, 沿黑線和紅線順時針運行到●1, 在第1個自突觸電流脈沖作用下, 沒能改變軌線的運行趨勢, 繼續沿黑線和紅線順時針運行; 當運行到●2,在第2個自突觸電流脈沖作用下, 使得原先應該從沿紅線的運行軌道躍遷到洋紅色線的運行軌道, 進入閾下振蕩, 轉變為沿黑線的運行軌道, 恢復到放電的峰值處■.紅色和洋紅色的虛線圈分別對應閾上和閾下極限環 (u = –0.8513), 也分別對應放電和閾下振蕩.自突觸電流脈沖增加了新放電節律的放電峰數.

自突觸促進放電的動力學機制還可以從圖7(c)和圖7(d)得出.新放電節律周期解在 (u, V )平面的投影如圖7(c)所示, 而該相軌線與原放電軌線和快子系統的分岔的位置關系如圖7(d)所示, 可以明確看出, 新放電節律(黑實線)比原放電(藍虛線)多出4個峰.在自突觸作用下閾上振蕩跨過直線u = –1并繼續向左延續, 最終多出4個閾上峰.而閾下振蕩變化不大, 僅多出1個峰, 進而總的放電頻率增加.

3.7 平均放電頻率隨耦合強度或延遲參數的變化規律

自突觸作用下的改進FHN模型, g和t變化時放電頻率也變化.圖8為平均放電頻率隨g和t的變化規律.

圖8(a)中固定g研究平均放電頻率隨t的變化, 水平直線對應 g = 0, 也就是周期 8 簇放電的固有放電頻率f0= 0.0567, 藍色點線和綠色星線分別對應 g = 0.02 和 g = 0.07 的平均放電頻率.結果說明, 當耦合強度g固定時, 隨著t的增加,平均放電頻率呈現出先快速增加再緩慢下降、再上升再降低且變化幅度逐漸減小的振蕩模式, 最終趨于大于固有放電頻率f0的某個值.自突觸的電導越大, 放電頻率也越大.當 g = 0.02 時, 在 t = 3,12和20.6附近3處出現了放電頻率小于f0的反常現象; 其他t值下放電頻率大于f0, 符合常規概念.當 g = 0.07 時, 在 t = 3 附近放電頻率小于 f0; 其他t值下放電頻率大于f0, 符合常規概念.

圖8 平均放電頻率隨不同參數增長的變化 (a) 固定 g 時隨 t 增長, 其中 g = 0 (黑色實線), g = 0.02 (藍色點線) 和 g = 0.07(綠色星線); (b) 固定 t 時隨 g 的增長, 其中 t = 3 (藍色實線), t = 4 (綠色點線)和 t = 5 (紅色點虛線); 黑色實線對應平均放電頻率 f0 = 0.0567Fig.8.Changes of the average firing frequency with increasing different parameter values: (a) With increasing t values when g is fixed at g = 0 (solid black line), g = 0.02 (dotted blue line), g = 0.07 (asterisk green line); (b) with increasing g when t is fixed at t = 3 (solid blue line), t = 4 (dotted green line), and t = 5 (dash-dot red line); the solid black line represents f0 = 0.0567.

圖9 興奮性自突觸作用下的改進FHN模型的放電頻率在平面(t, g)上的分布 (a) 平均放電頻率分布, 彩色代表頻率高低;(b) 平均放電頻率與 f0 = 0.0567 的差的分布, 其中黑色區域, 頻率低于內在頻率 f0 = 0.0567, 白色區域, 頻率高于內在頻率 f0 =0.0567; 綠色、洋紅色和藍色實心圓點對應圖4 (t = 3.75, g = 0.02)、圖5 (t = 12.6, g = 0.02)和圖6 (t = 20.65, g = 0.02), 紅色實心圓點對應圖7 (t = 70.6, g = 0.02)Fig.9.Distribution of the average firing frequency on the (t, g)-plane of the modified-FHN model with excitatory autapse.(a) The average firing frequency.Color scale represents the value of firing frequency.(b) The difference between the average firing frequency and f0 = 0.0567.Black area: average frequency is lower than f0 = 0.0567; white area: average frequency is higher than f0 =0.0567.The green, magenta, and blue solid cycles correspond to Fig.4 (t = 3.75, g = 0.02), Fig.5 (t = 12.6, g = 0.02), and Fig.6(t = 20.65, g = 0.02), and the red solid cycle corresponds to Fig.7 (t = 70.6, g = 0.02).

圖8(b)中固定t研究平均放電頻率隨g的變化, 水平直線對應固有放電頻率 f0= 0.0567, 藍色實線、綠色點線、紅色點虛線分別對應 t = 3, t =4 和 t = 5.當 t = 3 和 4 時, 平均放電頻率在 g 相對較小時會小于f0; g較大時放電頻率會大于f0,屬于符合常規概念的現象.當 t = 5 時, 放電頻率大于f0.結果提示, 時滯較小且自突觸強度較小時容易出現興奮性自突觸引起放電頻率降低的反常現象.

為了全面揭示放電頻率對控制參數g和t的關系, 研究了平均放電頻率在雙參數平面(t, g)的分布圖, 如圖9所示.

圖9(a)為平均放電頻率在雙參數平面(t, g)的分布, 彩色表示頻率高低.為了更清晰地表述平均放電頻率小于f0的條件, 圖9(b)中平均放電頻率小于f0的用黑色表示, 大于f0的用白色表示.結果表明: 在五個區域出現了平均放電頻率小于f0的反常現象, 分別對應于 t = 3, 12, 20.6, 31.5和 40.75 附近.其中圖4 (t = 3.75, g = 0.02)、圖5(t = 12.6, g = 0.02) 和圖6 (t = 20.65, g = 0.02)所示的放電頻率降低的情況的參數位置如圖9(b)中的綠色、洋紅色和藍色實心圓點所示, 對應于前三個區域, 也就是興奮性自突觸電流脈沖作用于簇內的第 1, 2 和 3 個谷值附近.隨著 t 的增加, 五個區域的g的參數值降低且范圍變窄, t的參數范圍略有變窄.第4 (5)個區域對應興奮性自突觸電流脈沖作用于簇內的第4 (5)個谷值.頻率降低的反常現象發生在自突觸脈沖電流作用在簇內第1—5個谷值時, 進一步驗證了在膜電位V的谷值附近添加合適的興奮性激勵能實現閾上極限環到閾下極限環的躍遷且降低放電頻率的猜想.除了這五個區域, 其他區域的放電頻率高于f0, 符合常規概念.例如, 圖7 (t = 70.6, g = 0.02) 放電頻率增加的情況對應圖9(b)中的紅色實心圓點.

4 結論

通過對興奮性自突觸對改進FHN模型的Homoclinic/Homoclinic簇放電動力學行為[7]的影響的研究, 得到結論和創新如下:

1) 適當的興奮性常值脈沖能使系統的簇放電行為從閾上極限環躍遷到閾下極限環, 提前結束放電, 降低簇內放電個數, 屬于不同于常規認識的新現象.合適相位對應于放電簇的谷值附近;

2) 適當時滯和強度的興奮性自突觸不僅能引起簇內放電個數降低, 而且能降低平均放電頻率,比文獻[21]中只是降低簇內放電個數的結果更為復雜, 也提供了興奮性作用引起放電活動降低這一反常現象的新示例;

3) 給出了不同于常規現象的產生參數范圍和條件, 在自突觸時滯和強度的參數平面, 自突觸時滯和電導都相對較小且自突觸電流作用在簇內的第 1, 2, 3, 4 和 5 個膜電位谷值時.其余參數范圍下, 興奮性自突觸引起放電頻率增加, 符合常規概念.

4) 反常現象出現的動力學機制可以從快慢變量分離、分岔分析以及閾上極限環和閾下極限環間的轉遷獲得.通過快慢變量分離, 確定本文研究的簇放電模式屬于Homoclinic/Homoclinic型, 與文獻[21]研究的Fold/Homoclinic簇不同.本研究中的簇放電模式是放電簇(對應閾上極限環)與閾下振蕩(對應閾下極限環)的交替, 放電簇內的極小值(即閾上極限環極小值)小于閾下振蕩的極小值(即閾下極限環的極小值).因此, 在放電簇內的谷值(極小值)附近, 合適的興奮性作用能引起從放電(閾上極限環)到閾下振蕩(閾下極限環)的轉變, 導致放電提前結束, 簇內放電個數降低, 同時,閾下振蕩的持續期變短.但是, 放電個數降低是主要的, 因此, 引起了平均放電頻率的降低.興奮性作用包括興奮性電流脈沖刺激和興奮性自突觸電流脈沖.而文獻[21]研究的Fold/Homoclinic簇,是放電簇(對應閾上極限環)和休止期(對應穩定結點)的交替, 休止期的膜電位遠遠低于簇內膜電的谷值; 強度適合的興奮性自突觸電流作用在休止期上, 引起休止期提前結束變為放電, 同時, 休止期的變窄使得放電參數區間也變窄因而引起了放電個數的降低.但是, 休止期的降低更為主要, 因此, 平均放電頻率沒有降低反而增加.兩類簇放電模式的動力學性質的不同是興奮性自突觸引起放電頻率變化不同的原因.

興奮性作用使得系統平均放電頻率明顯降低的現象及其動力學機制的發現, 在神經元電活動和非線性動力學研究領域有著重要意義.

進一步拓展了人們對常規概念和現象不同的現象的認識.因為平均放電頻率降低不僅表明系統放電次數降低, 而且表明其放電持續時間在整個周期內占比降低.目前為止人們主要關注抑制性作用導致的反常規現象, 例如, 抑制性作用能引簇內峰個數增加和放電頻率增加、放電參數區間增大[16?20,41,51,52]、網絡的同相同步[23?25]等, 對興奮性作用研究偏少, 且主要發現了靠近Hopf分岔的峰放電頻率增加[54]和興奮性作用使得簇內放電次數降低但平均放電頻率不降[21].而本研究揭示了興奮性作用不僅能夠降低簇內放電個數還能夠明顯降低平均放電頻率, 進一步擴展了興奮性作用和非線性動力學的內涵.

本文的結果提供了興奮性自突觸的潛在功能和調控神經元放電頻率的新手段.一般而言, 興奮性自突觸增強電活動.本文研究結果提示合適的參數下興奮性自突觸能夠引起電活動的降低, 這就提示了興奮性自突觸具有降低電活動的新的潛在功能.目前, 常規操作中人們主要通過抑制性作用降低神經元的平均放電頻率, 而本文結果說明在合適強度的脈沖和自突觸作用在合適的相位也能夠有效地降低神經元的放電頻率.

對比本文的Homoclinic/Homocinic簇放電與文獻[21]的Fold/Homoclinic簇放電的結果和機制, 可以發現, 相同之處在于興奮性作用誘發簇內放電個數降低, 但是, 更多的是不同, 包括本文是平均放電頻率的降低而文獻[21]是簇內放電個數的減少, 本文的轉遷(分岔)機制是興奮性自突觸流引起放電(閾上極限環)轉遷到閾下振蕩(閾下極限環), 而文獻[21]是休止期(穩定結點)轉遷到放電 (閾上極限環), 如表1 所列.此外, 文獻 [7]揭示了很多類簇放電模式, 遠不止本文提及的兩類簇放電模式, 而簇放電又被認為在信息處理中有重要作用[3], 今后應進一步研究興奮性自突觸對其他類簇放電模式的影響.