一类神经元模型的动力学响应及其控制研究

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生物神经系统是由大量高度内联的神经元组成的,神经元在信息处理及传递的过程中扮演着重要的角色。而神经科学则是以神经元模型作为研究对象,对神经系统的放电活动进行研究。神经元模型的放电活动实质上就是神经系统细胞内电生理活动的重现。在实际生活中,神经元的异常放电会导致生物有机体病理变化。因此,研究神经系统的放电活动、控制神经系统达到稳定放电,具有一定的理论参考价值。本文基于一类改进神经元模型,利用非线性动力学理论与数值仿真相结合的方法,探究了神经元模型的分岔规律及放电活动,并通过调节控制参数实现了神经元系统的稳定放电。第一,基于改进HR(eHR)神经元模型,首先利用稳定性理论,分析了不同外界刺激条件下系统平衡点的稳定性。接着利用Matcont求出该系统的Hopf分岔点并判断出该Hopf分岔点的类型。通过时间响应图、相图、单参数及双参数分岔图对系统的分岔模式进行了讨论。最后,保持外界刺激电流不变,发现系统在平衡点邻域内存在不同的放电模式。为了控制系统的隐藏放电,对系统施加Washout控制器,借此改变其放电特性,实现控制系统隐藏放电的目的。第二,以mHR神经元模型作为研究对象,对其平衡点及Hopf分岔进行研究,利用Matlab软件模拟得出系统在单参数及双参数变化下的分岔图,着重分析了系统在双参数平面上的分岔规律。接着,为了控制系统的放电模式,利用亥姆霍兹定理,对该神经元系统施加哈密顿能量控制。数值仿真得出受控系统的时间响应图及双参分岔图,通过对比,分析了受控前后系统放电模式的变化,探究了哈密顿能量对系统放电规律的影响。第三,在mHR神经元模型中引入磁通量,即磁通mHR神经元模型。研究了电磁感应下神经元系统的放电特性。利用Routh-Hurwitz判据分析得出该系统平衡点渐近稳定的条件,并通过数值仿真模拟出磁通mHR神经元系统的单参数及双参分岔图。在进行双参数分岔分析时,借助最大李雅普诺夫指数对系统的高周期放电区域及混沌放电区域进行了区分。随后,考虑哈密顿能量对磁通神经元系统放电机制的影响,实现了将系统混沌放电态控制到周期放电的目的。这为继续研究能量对神经元放电行为的影响提供了参考。
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