睡眠－觉醒协调机制与突触反馈的神经元系统动力学研究

基于神经生理学实验对睡眠－觉醒的研究成果与神经元理论模型，应用建模仿真以及非线性相关理论，构建神经系统在睡眠－觉醒节律调节中的活动的动力学模型；研究和阐释神经元系统在睡眠－觉醒节律协调过程中神经元、神经元之间（突触、神经递质）的动力学特性变化规律、以及神经系统噪声对觉醒协调功能的影响；揭示睡眠－觉醒节律变化的内在的神经动力学机制。本项目采用神经动力学的跨学科和跨层次的研究思路，为科学了解睡眠，促进人类对睡眠乃至感觉、学习、记忆和思维等神经系统的认知功能的理解，为神经生理学研究和临床治疗提供理论支持。研究内容属于非线性动力学与神经科学的交叉研究前沿，研究成果具有重要的科学意义和潜在的临床价值。

项目以睡眠－觉醒的基础性问题为主要研究对象，模拟大脑脑干细胞群与下丘脑细胞群在睡眠－觉醒协调中的作用，构建了类似下丘脑神经元合成的神经肽与谷氨酸神经递质相耦合的系统模型，以耦合神经元突触的活性为调节参量模拟睡眠－觉醒的状态转换；研究发现发现适当水平的噪声可以提高睡眠-觉醒周期质量。发现睡意对心电和脉搏信号的一些特征有明显影响,心电T波峰值、重搏波高度、脉搏波传输时间、脉搏波起点到主波峰点的时间、心率以及心率变异性中的 VLF 在清醒和睡意两种状态下有显著性差异，特征组合有利于提高分类正确率；采用零相位数字滤波器、椭圆带阻滤波器、整系数滤波器以及小波变换对采集的心电脉搏信号进行降噪比较，最后选择小波变换对心电脉搏信号信号进行降噪，研究和分析了42名受试者在平静清醒以及睡意两种状态下心电脉搏信号动力学特性的变化；研究发现神经元突触不同延迟时间可诱导神经元的混沌放电至周期和簇放电；不同耦合强度与延迟时间条件下，发现两个耦合神经元可以实现完全同步和反相同步；在研究噪声对神经系统的同步的影响中，发现两个独立且具有不同的初始条件的神经元在噪声强度足够大可以实现完全同步放电时，而对于较小的反转电位，非耦合神经元可以在较小的噪声强度被诱导到一个完整的同步状态,即使在弱耦合的情况下，两个耦合的神经元可以在非常小的噪声强度实现同步。基于相似性函数，检测了噪声能够促进耦合神经元的同步特性。自突触是神经元之间或者神经元和肌肉组织之间的一种特殊连接，对于单一神经元，自突触形成一个闭环反馈回路来调节神经元的电位变化。自突触的调制作用取决于两个因素，一个是回路延迟时间，另一个因素是反馈回路的强度。采用延迟反馈来刻画自突触（电突触和化学突触）对单个神经元的作用，发现自突触对沉寂的神经元有唤醒作用，可诱发神经元各类电活动的迁移。通过生理协调的睡眠－觉醒动力学模型、脑电信号与睡意、心电波形及其空间演化与睡眠关系、神经系统同步的突触传递与控制、以及噪声对神经系统功能活动等问题的研究，揭示睡眠－觉醒节律变化的内在的神经机制，可促进对睡眠乃至对感觉、学习、记忆和思维等神经系统的认知功能的理解。本项目公开发表相关学术论文15篇，其中，国际学术刊物论文11篇，SCI收录9篇，EI收录12篇，会议论文6篇；出版学术论著1本；培养毕业研究生11人。