帕金森病关联的功能网络动力学建模分析与同步控制

Parkinson's disease is a common functional disease of neuronal systems for the elderly population. Researchers at home and abroad pay close attention on the mechanisms of its prevention, seizure and clinical treatment. Based on analysis of electrophysiological activities on the Parkinson's disease, it is shown that there exists typical characteristics of network and abnormal electrophysiological behaviors in the functional region of neuronal systems of the Parkinson's disease. By means of experimental data and anatomical characters, this project will explore the linking structure of functional neuronal systems of the Parkinson's disease and electrophysiological characteristics of the corresponding neuronal activities. And then, we will construct reasonable physiological model of the functional networks and dynamics. In addition, we will analyze typical characteristics of the constructed network and conditions of synchronization and desynchronization of dynamical model. We will also establish the critical condition of transition between synchronization and desynchronization. Moreover, the effects of network topology and transmission delay on dynamics behaviors of neuronal systems of the Parkinson's disease are investigated. Furthermore, we try to establish the functional network models to characterize dynamical behaviors of Parkinson's disease. Expectedly, we explore the inner relation between the network model and representation behavior of the Parkinson's disease. Finally, we will design the feasible control method to regulate network dynamics behaviors of the Parkinson's disease so as to realize the healthy neuronal firings. We hope that obtained results will provide reliable theory guidance for the better understanding mechanism of the Parkinson's disease and clinical diagnosis.

帕金森病是中老年人群中一种常见的神经系统功能性疾病，这种疾病的预防、发作和临床治疗的病理机理是国内外相关领域的关键性科学问题。对帕金森病功能区的电生理活动分析表明，帕金森病神经系统功能区域具有特定结构的网络特征和表征异常的电生理行为。本项目拟基于电生理数据和解剖特征，深入剖析帕金森病神经系统功能区的连接特征及对应神经系统的电生理活动行为，构建符合生理意义的功能网络结构和动力学模型。分析构建网络的典型特征及动力学模型的同步和去同步条件及其转迁的动力学机制，确立同步和去同步转迁区域的边界条件；揭示网络拓扑和传递时滞等对动力学行为影响的机制。力图建立功能网络动力学模型使其能够刻画帕金森病表征的动态行为；以期确立功能网络模型与帕金森病动态表征的内在联系。设计有效的控制方法，调控帕金森病网络动力学行为以实现生理健康的电活动状态。研究成果为进一步本质理解帕金森病的机理和临床诊断提供可靠的理论指导。

帕金森疾病是一种常见的神经系统变性疾病，主要是由于基底神经节中的多巴胺神经元缺失导致的。目前关于帕金森疾病的实验研究表明帕金森疾病主要与基底神经节中的丘脑底核、苍白球内侧和苍白球外侧等核团紧密相关。多巴胺神经元的死亡改变了神经元之间的突触连接强度和神经系统的拓扑连接结构，进而造成了神经元过分同步、异常节律振荡和簇运动等动力学行为的出现。针对这些神经电活动行为，我们基于生物神经系统的解剖性质和电生理实验结果，主要从关键生理参数对帕金森病态网络模型的动力学转迁行为的影响及其机制和设计可行非线性控制方法调控生理帕金森病网络的放电模式等方面开展了相关的研究工作，取得的主要成果可以概括为：1. 设计了一种方向可控性的深部脑刺激策略。我们构建了一个皮质-丘脑及基底节环路网络计算框架，同时结合基底神经节的解剖特征，从计算方法上设计了五种不同的方向可控的深部脑刺激控制策略。2. 提出了一类新型的带有相位偏差的双核团联合深脑刺激策略。将刺激信号同时作用在两个核团上，并注入具有相位偏差的脉冲刺激。研究证明在相位偏差为π的时候，达到最优刺激效果。该刺激可在低频条件下起到去同步控制效果，恢复丘脑的正常中继能力。同时作用在两个神经核团上，大大减少了持久刺激单一核团所造成的物理损伤。3. 通过构建皮质-丘脑-基底神经节-脚桥核的平均场模型，我们研究了脚桥核对帕金森状态下核团放电模式和放电率的影响。通过调节脚桥核-丘脑底核通道的突触强度和突触时间延迟，可以抑制帕金森病的异常振荡活动，而这种抑制作用很大程度上依赖于突触强度和时滞参数的大小。4. 扩展性地建立含有纹状体抑制性微环路的丘脑-基底神经节网络模型，通过研究纹状体内部神经元电流电导和直接/间接通道突触电流大小，可调节神经元的同步水平和Beta频带振荡的大小。5. 探索了快速放电中间神经元之间的电突触连接对基底神经节内部其他神经元的影响。帕金森状态下，消除快速放电中间神经元的电突触连接似乎调节了GPi神经元的Beta振荡行为，也恢复了丘脑的中继能力。这些研究成果将深化人们对帕金森疾病的动力学行为及其机理的认识，更好地理解帕金森疾病的发病机制，同时为帕金森疾病的控制与治疗提供新的理论依据与指导。.按照项目计划书，全面完成了本项目研究计划的目标和内容。发表学术刊物论文18篇；获得中国力学学会颁发自然科技奖二等奖；已毕业博士研究生3名，硕士1名。