噪声对SCN网络的近日节律行为的影响

作     者：李家慧 

作者单位：上海理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：顾长贵

授予年度：2022年

学科分类：0711[理学-系统科学] 12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 07[理学] 08[工学] 070104[理学-应用数学] 0811[工学-控制科学与工程] 0701[理学-数学] 081103[工学-系统工程] 

主      题：近日节律 SCN网络 随机噪声 Goodwin模型 节律行为 

摘      要：近日节律的紊乱严重地损害着人们的身心健康,探索近日节律的形成机制和紊乱后的恢复途径是当前面临的基本科学难题。哺乳动物的近日节律由位于下丘脑前部的视交叉上核(简称SCN)调控。SCN由大约20000个神经元振子组成,可分为两个亚组,分别是腹外侧(VL)和背内侧(DM)。SCN的节律行为取决于细胞之间的耦合,如果耦合强度较弱,会导致单个神经元的节律丢失,以至于整个SCN的节律就会消失。除了耦合之外,SCN的节律行为还会受到随机噪声的影响,包括由物理环境差异引起的外部噪声以及单细胞水平上的转录所涉及的m RNA和蛋白质种类的低分子计数所引起的内部噪声。本文基于Goodwin模型,研究内部噪声对SCN网络节律行为的影响。采用Goodwin振子来刻画单个神经元,假设SCN神经元网络为全连接网络,然后使用Milshtein方法进行数值仿真。数值仿真的结果和理论解析的结果相吻合。具体内容如下:首先,在考虑了神经元振子的异质性的条件下,研究噪声对SCN网络节律行为,包括振幅、同步程度和周期的影响。结果表明在神经元振子全同的条件下,即神经元不存在异质时,噪声会减弱SCN网络的节律强度(即减少振幅)并且使周期变短;当神经元非全同并且调节神经元的异质度使其变大,噪声对于SCN网络节律的负向影响会减弱,而当异质度增大到一定数值时,噪声将不再减弱SCN网络的节律强度,反之,增加噪声强度将使网络的节律增强且使SCN网络的周期变长。接着,研究了当SCN中的两个亚组VL和DM之间的耦合不对称且VL和DM之间的耦合强度较弱时,噪声对SCN网络振幅和同步度的影响。结果表明,噪声会使振幅为0的SCN网络恢复振荡,同时随着噪声强度的增加,网络振幅会增加;当调节VL和DM的不对称耦合程度时,噪声与SCN网络节律行为的定性关系没有发生改变,即VL和DM之间耦合的不对称耦合程度不会定性地影响噪声强度与SCN网络节律行为的关系。本文为SCN网络节律的增强提供了一种可行的方法,同时也阐明了内部噪声对SCN网络节律行为的影响。这将为近日节律的调控机制提供一些启发。