化学突触信号传递的动力学研究

Understanding and simulating the brain is an open problem involved by multiple research fields. Synapse as the basic structural and functional unit in the nervous system, especially the chemical synapses, plays a crucial role in signal transmission. However, the current models of chemical synapses adopt the simple functional form based on waveform fitting, and cannot describe the real biophysical processes. With the development of molecular mechanism and the computational power, we picture the time course of the signal transmission at synapse with three phases, the dynamics of synaptic vesicles, the releasing and transport of neurotransmitter, and the dynamics of receptors on the postsynaptic membrane. We will construct the dynamic models of the biophysical phases that are consistent with the experimental phenomena by using simulations and stochastic dynamics. And then, comparing the electrophysiological experiments and the existing computational synaptic models, we will develop a compact synaptic model to cover the cooperative contributions of presynaptic and postsynaptic plasticities. This project provides a connective bridge between microscopic molecular biophysical mechanism and the mesoscopic electrophysiological signal conduction at chemical synapse. Our proposal will produce the significant contributions to improve the understand of the information processes in the biological nervous system and the building the computational model, as well as the applications of statistical physics and nonlinear dynamics in life science and its developments.

探索大脑工作机制并开展类脑模拟是涉及多个学科的重要研究领域。突触作为神经系统传递信息的基本结构和功能单位，尤其是化学突触，在信息传递加工上发挥关键性作用。已有化学突触数学模型均为基于波形拟合的简单函数，没有反映真实生理过程。随着突触分子层面机制的明确以及计算能力的发展，本课题根据突触信号传递的时序进程，拟将其分为突触前末梢内突触小泡演变、神经递质的释放和输运、突触后膜上受体动力学等三个关键阶段，结合各自微观生理过程及其相关实验数据和调制现象，采用多种模拟技术以及随机动力学等理论方法，建立基于微观生理过程的动力学模型。进而通过多尺度分析，与突触电生理现象和已有模型进行对照修正，构建反映突触前后协同作用且形式简洁的突触动力学模型，在分子过程与宏观电生理现象之间搭建桥梁。本项目在理解神经系统的信息存储加工以及构建计算模型上具有应用价值，同时对于统计物理与非线性动力学在生命科学中的应用具有重要意义

本项目从化学突触信号传递的微观生理过程出发，建立动理学模型，与已有突触传递的现象学函数模型进行对照研究，并进一步探讨突触前各类可塑性特征的动力学机制。目前已经完成连续性常微分方程组形式、基于开关过程的离散和连续随机模型，实现信号的正常传递以及部分可塑性特征的重现。后续进一步精简模型以及与已有经验公式和实验数据的对照研究正在开展中。此外，结合当前相关领域，开展了化学自突触对神经元兴奋性类型的影响及其分岔动力学机制的研究。..在单个神经元尺度，研究发现兴奋性自突触会诱发第三类神经元出现第二类响应特性，且临界自突触耦合强度随自突触延迟时间周期性振荡衰减，相应的发放频率仅仅随突触延迟时间单调下降，自突触具有明显的调制作用。在阈下弱突触信号序列输入情形，神经元发放频率呈现自突触延迟时间主导的共振特性，只有对于高频信号才能实现精准传导。当突触延迟时间近似为半个脉冲间隔时，抑制自突触电流导致更多规律性的自发动作电位序列发放，比无自突触情形包含更多信息容量。对于温度敏感离子通道蛋白对神经元发放特性的详细研究发现，温差引起的兴奋性类型之间的切换行为与对不同离子通道的影响一致。分岔平面上的神经动力学特征表明，同样的发放特征存在丰富的动力学行为和分岔路径，这些有助于理解多模态的产生机制。此外，通过构建离散化的耦合小室模型研究了有鞘轴突的动作电位传播，发现不适当的温度值可以阻止动作电位传播，并存在一个最佳温度，以使传播速度最大。这一结果与连续近似的电缆方程的解析结论一致，并与已有一些实验定量吻合。这在计算或理论角度理解生物所需的“舒适”或最佳温度提供了一个具体实例。此外，从不同编码方案下评估了映射神经元模型的有效性。对固体表面上纳米座滴蒸发运动的研究发现，表面浸润特性比粗糙度更为重要且呈现出短时欠扩散特征。在二维Janus粒子的熔化过程中观察到失去长程取向顺序但保持晶体位置顺序的类固固相变现象。