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噪声对scn网络的近日节律行为的影响

噪声对SCN网络的近日节律行为的影响

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作者：李家慧上海理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：近日节律 scn网络随机噪声 Goodwin模型节律行为

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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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