神经网络系统中突触可塑性诱导的同步活动和拓扑结构演化

神经突触可塑性是大脑实现学习、记忆等功能的重要生理机制。本项目从理论分析、数值仿真和实验观察三个方面系统地研究突触可塑性与神经元网络系统的同步放电和拓扑结构变化的关系。具体内容有：结合在实验中观察到的突触可塑性的表现形式，修改和完善突触学习律，分析可塑性突触在不同外界刺激和参数条件下的动力学机理；研究不同拓扑结构的耦合神经网络系统在突触可塑性作用下的放电模式、同步特性以及突触的权值变化等；探讨突触可塑性对于优化大脑神经网络的拓扑结构的作用。本项目的研究有助于加深对神经网络的复杂动力学行为及机理的认识，加强神经动力学宏观和微观层次研究的联系，推动非线性动力学、神经科学以及复杂网络理论和应用的新突破。

大脑神经元之间通过突触相互连接构成一个庞大的神经元网络，突触的性质对于神经元网络的同步动力学行为具有重要影响。我们首先研究了神经突触的可塑性对于小世界神经元网络同步的作用。这里分别考虑了电突触和化学突触两种情形。通过数值模拟，我们发现在我们所采用的突触可塑性模型的作用下，神经元突触的连接权值变化符合生物上的Hebb学习规则。进一步我们发现，无论是采用电突触耦合还是化学突触耦合，神经元网络的兴奋度随着突触学习率的增加而减弱，这与生物实验的结果是吻合的。而对于网络同步，突触可塑性对于电突触耦合网络和化学突触耦合网络的作用有所区别。另外还探讨了网络加边概率对于同步的作用。 . 在研究过程中，我们发现化学突触耦合的神经元网络具有较为复杂的动力学行为，因此进一步探讨了化学突触的各种参数对于全局网络连接的神经元网络的同步行为的影响规律。在这项工作中，我们对经典的只能呈现尖峰放电的HH神经元模型做了改进，使其产生簇放电，以此改进型神经元模型为节点建立神经元网络。我们发现抑制性化学突触耦合的网络具有较高的同步鲁棒性，提高突触耦合强度和突触迟滞均有利于网络的同步，同时增大突触迟滞和突触衰减时间会降低网络的振荡频率。. 以上都是关于突触性质对于神经元网络同步的影响规律的研究，而突触对神经元同步的作用机理究竟是怎样的？我们以兴奋性/抑制性全局耦合神经元网络为例对此作了探讨。我们发现，对于网络中每个神经元，其兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位的形状效应和幅值效应均有利于神经元的放电同步，而且由于兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位在一定程度上相互抵消，兴奋性/抑制性神经元网络比单一类型（兴奋性或者抑制性）的神经元网络可以在更高的输入异质性水平下达到同步。. 综上，我们围绕突触对于神经元网络同步动力学的作用展开了研究，分别研究了突触可塑性、化学突触参数对于神经元网络同步的影响规律，并探讨了化学突触中兴奋性突触和抑制性突触对于网络同步的作用机理。以上研究有助于加深对神经系统放电活动及机理的认识，对于理解大脑神经系统的工作方式具有参考作用。