抑制性化学突触调控神经系统时空动力学行为的研究

Inhibitory synapses, which depress the electronic activity of the nervous system, can cooperate or compete with the excitatory synapses to modulate the spatiotemporal dynamics of the nervous to achieve the function. Such a traditional viewpoint is challenged by some previous findings that showed the enhancement of the activity of the nervous system induced by inhibitory synapses under some conditions. Based on the viewpoint that the interaction between different time scales of synapses and neuronal activity can induce more complex dynamical behaviors, we simulate the spatiotemporal behaviors induced by the interaction between fast or slow synapses and neuron with electronic activity involved in different time scales in neuronal networks with different structures, explore the roles of time scales of the synapse and neurons using fast-slow dissection method, analyze the influences of network structures on the spatiotemporal behaviors, and find out the conditions under which inhibitory synapses can improve the activity of the nervous system. Time delay is chosen as the representative of time scale of chemical synapse to investigate the changes of the synchronous behavior of neuronal networks induced by the modulation of time delay in theoretical models, which is demonstrated by pyloric network of stomatogastric ganglion of crayfish with dynamic clamp. We further identify how the inhibitory synapse modulates the spatiotemporal behaviors of network containing both inhibitory and excitatory synapses. The results further validate the viewpoint that inhibitory synapses can enhance the activity of the nervous system, and present novel control criteria that is different from traditional measures to modulate the spatiotemporal behaviors and function of the nervous. Such a work is of great significance.

抑制性化学突触压抑神经系统活动水平，与兴奋性突触通过竞争合作来调控神经系统的时空行为进而实现系统功能。已有研究对这一传统观点提出了挑战，抑制性突触在某些条件下会提高神经系统的活动。本项目拟立足于突触和神经元电活动的不同时间尺度的相互作用会产生更为复杂的动力学为出发点，对快或慢突触与涉及不同的时间尺度电活动的神经元的相互作用在不同结构的网络诱发的时空行为进行动力学仿真，利用快慢变量分离解释突触和神经放电时间尺度的作用，以及网络结构的影响，揭示抑制性突触提高活动水平的条件；选取抑制性突触的时间尺度的代表-时滞，研究其变化引起的同步行为的改变，并利用膜片钳技术在鳌虾口胃神经节幽门网络进行实验验证；进一步研究抑制性突触调控抑制性和兴奋性突触耦合网络的时空行为的动力学特征。研究结果将进一步夯实抑制性突触可以增强神经系统活动的观点，提供新的不同于传统的调控系统时空行为和功能的控制措施，具有重要意义。

通过数学模型数值计算、理论分析结合实验及数据分析，本项目进行了以下工作：首先，揭示了抑制性突触调控神经元网络的复杂动力学。发现了抑制性突触活动增强诱发螺旋波的破碎，能够解释实验发现的视皮层的螺旋波在抑制性作用较弱的条件下更容易产生，有助于理解螺旋波与癫痫(强兴奋性)的对应关系；发现了同相同步以及随时滞变化的反相与同相同步间的转迁，这是不同于传统观念抑制性突触诱发反相同步的新现象，有助于认识龙虾实验发现的抑制性突触诱发的同相同步；进一步，利用耦合电流激励的单神经元的复杂动力学对空间行为进行了理论解释；其间进而发现了抑制性作用特别是慢抑制性作用不是诱发放电降低而是诱发放电增加的反常现象及条件，并利用阈值、相位响应曲线和分岔对反常峰和簇放电现象进行了解释，有助于理解实验发现的抑制性作用诱发听觉神经放电频率增加。这些反常现象和机制丰富了非线性动力学的内涵，具有重要的生物学意义。其次，基于抑制性突触能诱发反常行为，拓展研究发现兴奋性突触也能引起放电降低的反常现象和条件，并利用分岔给出了解释，从理论上全面和深入认识了兴奋性突触的作用，拓展了非线性动力学的内涵。最后，对脑网络的复杂时空动力学进行了研究。利用机器学习方法对正常人群的脑区的线性特征(Bold信号的相关系数)和非线性特征(Bold信号的样本熵)进行聚类分类，获得了6个脑功能网络，与基于生物学功能的脑网络分类结果的符合度和准确性都较高，并且基于非线性特征的结果更高，说明非线性特征有助于揭示脑网络功能，提示非线性特征可能是脑网络演化的本质特征。获得了脑网络的非线性特征样本熵与精神疾病的关系：在多个脑区包括视觉区精神分裂症患者的样本熵高于正常人；在样本熵有显著差异的脑区，样本熵和精神分裂症的严重程度正相关;正常人的样本熵与年龄具有负相关关系而对精神分裂症患者而言这一关系被破坏。研究结果有助于认识精神疾病的特征和服务于精神疾病的诊治。