基于分子水平的神经信号传导的复杂动力学研究

Neuronal signaling tranduction process is formed by synapses between neurons and complex networks, where different molecules interacts through various biochemical reactions with a unique way. Based on the basic theories and methods of nonlinear dynamics, complex dynamical behavior with nonlinearity, time delay and noise, large time and space scales is explored in the neural signaling pathway at the molecular level, mainly including (1)dynamics mechanism of bistable molecular switch maintaining synaptic plasticity;(2)large time and space dynamic behavior in neural signaling pathways;(3)integral properties in biochemical reaction network based on the complex network theory, and of molecular feedback loops as a network module;(4)The effects of noise and time delays in biochemical reactions in neuronal signal traduction.This research work not only promotes further development of dynamics and control, but also plays an important role in deep understanding intrinsic mechanism of neural information transmission process and provides some help for treatments of pathema, such as abnormal behaviors related to disorder or impaired memory, neurodegenerative and neuromuscular diseases.

神经元的信号传导是由神经元之间所形成的突触及其组成的复杂网络实现的，整个过程中不同分子之间通过各种生化反应以特有的方式相互作用。本项目利用非线性动力学的基本理论和方法，研究神经信号传导过程在分子水平上的非线性、多时滞、多噪声，以及多时间和大空间尺度的复杂动力学行为，主要包括：（1）维持突触可塑性的双稳性分子切换的动力学机理；（2）神经信号通路系统的大时间和空间尺度上的时空动力学行为；（3）基于复杂网络理论的生物化学反应网络中相互作用的整体性质，以及分子反馈环路构成的网络模块的动态特性；（4）神经信号传导的生化反应过程中噪声和时滞的作用。本项目的研究工作不仅促进和推动了动力学与控制学科的进一步发展，同时也为深入理解神经信息传导过程的内在机理发挥着重要作用,并对与记忆障碍或受损有关的反常行为，神经退化性疾病以及神经肌肉疾病等的治疗提供一定的帮助。

本项目利用非线性动力学的基本理论和方法，研究神经信号传导过程在分子水平上的非线性、多时滞、多噪声，以及多时间和大空间尺度的复杂动力学行为。.主要包括：(1) 与长期记忆和突触可塑性密切相关的动力学研究,包括建立和改进数学模型研究维持突触可塑性的双稳性分子切换的动力学机制以及与突触可塑性有关的钙动力学行为的内在机制研究；(2) 利用拟静态近似方法将高维的复杂动力系统约化为简单的低维系统，研究神经信号通路中大的时间和空间尺度上的复杂动力学行为；(3) 基于大型生化反应网络模块，探讨整个复杂网络系统动态行为，重点关注与细胞凋亡密切相关的p53的振荡行为；（4） 与长期记忆形成有关的噪声和时滞动力学,致力于探讨探讨了分子数涨落等因素引发的内噪声的随机动力学行为，以及时滞引发的长期记忆的不同动力学行为的内在机理。.本项目的研究工作不仅促进和推动了动力学与控制学科的进一步发展，同时也为深入理解神经信息传导过程的内在机理发挥着重要作用,并对与记忆障碍或受损有关的反常行为，神经退化性疾病以及神经肌肉疾病等的治疗提供一定的帮助。