胶质细胞调制神经元网络时空动力学行为研究

It is traditionally thought that glial cells provide support and nutrition for neurons only. Some latest experimental results, however, confirm that glial cells can also detect the external stimuli, and their selectivity is even higher than neurons. As a result, the modulation of glial cells on electrical activities of neurons has become one of hot topics in the recent research. In this project, the analysis methods of nonlinear dynamics and complex networks are used to establish the model for neuron-glia networks with various connection types. We investigate the influences of different connection types and the coupling strength on the evolution of spatiotemporal patterns in the neuron-glia networks. Moreover, the effection of noise correlation on neuron-glia networks behavior is discussed. Also the spatiotemporal dynamics of neuron-glia networks is studied when ion channels blockage and temperature disturbing occur. The project aims at discovering the dynamical mechanism of glial cells in the process of nervous information transmission and ntegration. The research contents of this project are subjects of interdisciplinary basic frontiers. The results enrich the theories of nonlinear science and neuroscience, and have potential application value for the neurological disease research.

传统的观点认为胶质细胞仅为神经元提供支撑和营养，但最新实验研究表明胶质细胞同样能感知外界刺激，其反应选择性甚至高于相邻神经元，因此胶质细胞对神经元放电活动的调制作用成为近几年研究的焦点问题。本项目拟采用非线性动力学和复杂网络理论分析方法，考虑胶质细胞间、胶质细胞与神经元间不同连接方式构建胶质细胞-神经元耦合网络动力学模型，探讨网络不同连接方式和连接强度对胶质细胞-神经元耦合网络放电时空行为的影响；探讨胶质细胞与神经元耦合过程中噪声关联性的数学描述，研究关联噪声对胶质细胞-神经元耦合网络的影响行为；研究离子通道中毒和温度影响下，胶质细胞-神经元耦合网络时空动力学行为。本项目旨在揭示胶质细胞在神经系统信号传递和整合过程中的动力学机制，是非线性科学与生物神经科学交叉学科的基础性前沿研究，项目研究对脑神经性疾病研究及临床诊断治疗具有潜在的应用价值。

我们完全按照年度计划执行，每年按期提交年度报告，并圆满达到预期目标。. 本项目首先根据胶质细胞间、胶质细胞与神经元间不同耦合方式，构建胶质细胞-神经元网络动力学模型， 并基于所建模型研究胶质细胞调控神经元网络发放节律的动力学行为。重点在以下几个方面开展了探索性工作：1）胶质细胞递质扩散对神经元网络放电行为的影响；2）电磁辐射环境下的神经元网络放电动力学行为。3）化学突触耦合下时空斑图形成和跃迁动力学行为以及时空斑图的定量刻画；4）利用磁共振成像数据(fMRI)，研究任务态和疾病态的脑功能网络动力学行为。.研究结果揭示了胶质细胞递质（谷氨酸）释放和扩散能够激活突触后神经元受体，从而调控远程神经元放电行为；构建了电磁辐射影响下神经元模型，揭示电磁辐射环境下神经元放电行为，结果表明电磁辐射能够抑制神经元放电，验证了实验现象；构建化学突触耦合神经元模型，揭示了化学突触调节时空斑图形成的机理，验证了螺旋波对神经元放电活动的调节作用；引入排列熵刻画神经元网络的放电复杂度，发现了规则时空斑图的转换与网络放电复杂度的关系；采用核磁共振数据构建脑功能网络，揭示了不同脑区对视觉刺激不同响应的机理,发现ADHD诱使神经信息流动更加混乱。本项目研究结果有利于帮助我们更好地理解胶质细胞在神经系统信号传递和整合过程中的重要作用，对脑神经性疾病研究及临床诊断治疗具有潜在的应用价值。.本项目研究成果共发表论文14篇，其中SCI检索论文8篇，EI检索论文1篇，国内核心期刊收录1篇，会议论文4篇，培养博士后1名, 博士生3名。