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SCN神经元的耦合强度及感光强度异质性对近日节律的影响

SCN神经元的耦合强度及感光强度异质性对近日节律的影响

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作者：朱宝上海理工大学

学位级别：硕士

视交叉上核(the Suprachiasmatic Nucleus)是哺乳动物大脑中的内源性时钟,简称SCN。它是调节生物生理和行为节律的主时钟,并具有调节导引范围和维持神经元自振荡两大功能。SCN和其它脑组织一样,都是由神经元细胞组成,其中包含大约两万... 详细信息

视交叉上核(the Suprachiasmatic Nucleus)是哺乳动物大脑中的内源性时钟,简称SCN。它是调节生物生理和行为节律的主时钟,并具有调节导引范围和维持神经元自振荡两大功能。SCN和其它脑组织一样,都是由神经元细胞组成,其中包含大约两万个神经元,通常将其分为两组,即腹外侧(VL)和背内侧(DM)。它们之间通过神经递质耦合组成一个网络,并输出一个统一的振荡周期信号。研究发现,不同组间的神经元耦合强度和感光强度具有异质性,并且这些异质性对SCN的导引范围和自振荡周期的影响情况还不被人们所知道。故本论文主要对此种影响情况做了具体的研究。首先,我们通过复杂网络的基本理论对所要研究的内容进行整体分析,从而确定SCN网络的基本结构(本论文将SCN网络看成一个全连接网络,即网络中的所有神经元之间都有连边)。再对描述振子动力学行为的庞加莱模型加以改造,增加耦合强度异质性p、感光强度异质性q以及光暗循环周期信号,构造出光暗循环下的SCN神经元网络模型。然后,利用该模型进行数值模拟,研究感光强度异质性q及耦合强度异质性p对SCN导引范围的影响。我们发现,导引范围与感光强度异质性的关系取决于两组神经元间的耦合。当耦合强度小于光照强度时,其关系呈抛物线状,在无感光强度异质性的情况下(q=1),可以得到最大的导引范围;当耦合强度远大于光照强度时,此关系又呈单调变化,且导引范围最大值在感光强度异质性最大(即q为0或2)处取到。再对数值模拟结果进行定性的理论解析,验证模拟结果的正确性。最后,在对导引范围研究的基础上,修改SCN网络模型,去除光暗循环周期信号和耦合强度异质性,加入持续光照项。在此模型上研究感光强度异质性q对SCN自振荡周期的影响。我们发现,当感光强度异质性越小(即q从0或2趋近于1)时,SCN的自振荡周期越小;当感光强度无异质性(即q=1),此时SCN的自振荡周期最小。本文的研究不仅可以为不同神经元间存在感光强度异质性提供解释,同时还可以解释如何通过扩大导引范围和加强自振荡周期来增强SCN的灵活性,进而使得生物更好的适应外界环境的变化。

关键词： SCN网络耦合强度光信息敏感性导引范围自振荡周期

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