电磁干预下fMRI多脑区脉冲神经网络的动力学行为研究

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脑科学与类脑智能的相互融合将引领脑疾病诊疗发展。脉冲神经网络作为脑科学研究中重要的类脑模型,尚存在神经元模型单一无法形成多脑区类脑网络和拓扑结构基于算法生成无法反映真实脑连接等生物可解释性不足问题。电磁神经调控是一种非侵入式神经调控技术,已广泛应用于脑功能的研究中,但其调控机理尚不清楚。为此,本文基于功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI)构建多脑区脉冲神经网络,并基于非线性动力学理论揭示电磁干预对该类脑网络的影响。本文的研究成果有助于了解电磁干预下大脑信息处理机制,主要研究内容如下:(1)fMRI工作记忆多脑区脉冲神经网络的构建及分析。为提高脉冲神经网络的生物可解释性,本文以健康人fMRI脑功能网络为拓扑,融合多类工作记忆神经元模型,以具有时滞的兴奋性与抑制性共存的突触可塑性为连接,构建具有前额叶脑区和海马脑区的工作记忆多脑区脉冲神经网络,并研究其神经元放电、突触均值及网络拓扑特性的动态演化过程。结果表明:所构建的工作记忆多脑区脉冲神经网络的拓扑具有小世界和无标度属性;在仿真过程中,神经元放电同步性由强变弱至网络稳定,突触均值由大到小至网络稳定,网络动态拓扑特性均由小范围波动至网络稳定。(2)电磁干预下工作记忆神经元模型的非线性动力学研究。为探究电磁干预对工作记忆神经元模型动力学行为的影响,本文研究了电磁干预下前额叶神经元模型和海马神经元模型的分岔模式、膜电位的时间序列和相平面变化。结果表明:电磁干预强度和频率的变化均使两种神经元模型发生放电模式转迁;两种神经元模型在电磁干预下均可实现由稳态到激发态到再稳态;两种神经元模型在不同电磁干预下具有不同的周期环,且相比于强度,频率的改变更易使两种神经元模型产生阈下膜电位振荡。(3)电磁干预下fMRI多脑区脉冲神经网络的非线性动力学研究。为探究电磁干预下脉冲神经网络的非线性动力学行为,本文基于突触耦合和同步性确定最优电磁干预参数,并分析该参数电磁干预下各脑区及全网的动力学行为的演化过程。结果表明:联合干预前额叶和海马脑区时,电流驱动方式下,强度为200 mA频率为1 Hz,磁通驱动方式下,强度为220 mT频率为1 Hz,全网的突触耦合和同步性达到最优;在最优电磁参数干预下,各脑区及全网突触耦合和同步性均呈高度相关,进一步说明脉冲神经网络的神经信息处理是神经元放电模式、突触耦合和同步性的连锁反应过程。
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