神经系统中的协同行为与能量消耗

神经系统中普遍存在运用小尺度个体的集合来替代单一大尺度个体来可靠实现相应功能的协同工作现象。通常，人们关注的是这一协同合作现象背后的噪声效应是如何提高其信息处理的能力。本项目通过理论分析与数值模拟相结合，并开展部分实验，在考虑噪声效应的同时，从信息处理过程能量消耗的角度，定量研究神经元及其网络、神经纤维和突触等神经系统重要组件中的协同行为。首先，对于单个神经元和神经网络，主要通过研究信号发放时的噪声效应以及能量消耗，对比分析神经回路的协同效应。对于神经纤维，主要研究细小神经束与单个神经纤维上不同类型信号传递的可靠性，同时探讨相应的能量消耗和噪声效应。对于化学性突触的离子转运过程，主要针对膜面积较大的突触泡与小突触泡集合进行研究。本项目研究噪声效应的同时，试图从如何在消耗较低能量下保证信号处理可靠性的角度来阐明神经系统中的协同行为。这对于理解和学习生物神经系统运行机制具有重要意义。

本项目从能量消耗角度出发，研究神经系统中不同尺度下各类协同现象。除去实验部分内容因为经费不足启动较晚尚在进行当中，其余部分已按原计划顺利完成。内容涉及三类神经元响应特性、动作电位起始、CD神经元信号检测、神经元检测性能与能量消耗以及酒精中毒脑功能联接组学等研究内容。.在单个神经元尺度，研究单个神经元信号检测和能量代谢消耗之间关联发现，检测性能的提高是以提高能量消耗为代价；同样能量消耗，采用较多的较小神经元更容易实现可靠检测（已经投稿 PLoS ONE）。动作电位的起始位置问题是计算神经科学的基础问题。通过建立神经元胞体、轴突的几何模型，研究了神经元轴突起始区域钠离子通道高密度带与神经元兴奋性之间的关联，发现钠带特性、能量消耗对于动作电位的起始具有重要调节作用（Phys. Rev. E 84, 052901）。考虑到生物神经系统中神经元类型的异质性，基于Morris-Lecar模型开展了三类神经元对于外界信号响应的研究，给出了对于外界不同类型信号（DC信号、周期正弦信号、突触随机输入等）的完整响应频率相图。对于低频信号，三类神经元单独都不可能进行正确编码。但是通过多重编码机制，利用通常认为病态的第三类神经元在低频信号的响应特性，可以实现信息正确处理（Phys. Rev. E 83, 021915）。.在神经回路水平，针对含CD特性神经元的简单回路，探讨了CD神经元逻辑阈值、窗口特性、不应期等对于检测含噪阈下信号可靠性和精确性的影响，发现阈值提高对于可靠性和精确性提高具有直接影响，而时间窗口只对可靠性有影响。在超过一定宽度的时间窗口后，检测可靠性急剧下降。由于CD神经元不应期的作用，阈值和检测窗口存在局部最优的共振区域；（PLoS ONE, DOI: 10.1371/journal.pone.0056822）.通过对酒精中毒64通道数据的DFA分析以及脑功能联接的研究，发现其与正常人脑区之间存在较大拓扑结构特性差异，与已有实验现象相吻合，并可预测酒精中毒对其它脑区的影响（正在准备论文）。此外，研究发现含miRNA的正负反馈耦合基因回路中，miRNA可优化开关行为，对于回路的信号响应的多样性、以及维持信号敏感性与抗噪能力的平衡具有重要作用。正负反馈的耦合，对于回路中涨落的传播具有更加灵活弹性的缓冲作用（PLoS ONE 6, e26302; 7, e5184）。