电磁辐射下脑电和心电的电活动研究

摘要

本文主要以生物物理的角度研究神经系统和心肌组织的电活动行为。而其行为呈现丰富的非线性特质。有必要借助非线性动力学和统计物理方法，研究电磁激励下神经系统和心肌组织的动力学行为，对于复杂动力学生物系统及功能有重要的理论指导意义。具体内容和结果如下： (1)由神经元构成神经系统群体在电磁辐射下同步行为的研究。基于一个考虑电磁感应效应的 Hindmarsh-Rose神经元耦合模型, 采用数值模拟和统计分析的方法研究耦合神经元和网络中引入外界电磁辐射下同步的问题。模拟结果发现：同步行为依赖于耦合强度和电磁辐射；合适的电磁辐射可以有效地实现节律同步。结果提示了电磁辐射对神经系统同步行为(信息处理)有调控作用。 (2)心肌组织中引入时变电磁场的时空动力学研究。基于原始的Fitzhugh-Nagumo模型，采用数值模拟和斑图的方法研究心肌组织的时空动力学问题。结果发现，在电磁感应下，楔子状初始态可以诱发和形成稳定螺旋波。接着，引入外界电磁辐射，在心肌组织中发现螺旋波的断裂，并呈现湍流态。结果有助于理解心脏在强电磁辐射下突然心率紊乱等问题。 (3)具有电磁感应神经系统在相位噪声作用下膜电位的相干共振研究。基于原始的 Hodgkin-Huxley神经元模型，引入磁通量描述电磁感应效应，使用具有记忆效应和非线性特征的忆导实现膜电位与磁通量之间的耦合，采用数值模拟和统计分析的方法研究神经元膜电位的动力学响应和相变等问题，结果发现膜电位的信噪比图谱呈现双峰相干共振现象，不同于一般状态下的一次共振，这就提示了神经系统有两次达到信息最大或最优的机会。 (4)具有电磁感应的可激发介质在电磁辐射下波传导的研究。基于可激发介质的心肌组织模型，采用数值模拟和斑图的方法研究时空动力学行为。结果发现：引入局部周期刺激，可以引起持续的靶波；再引入电磁辐射，稳定的靶波破裂演化成螺旋波。结果将有助于解释持续电磁场作用下的心脏病变的潜在机理。 通过上述的讨论，电磁感应下的神经元和心肌组织模型不仅继承原有的动力学机制，而且丰富了更为实际的生物物理电活动。有助于我们进一步认知和研究大脑和心脏。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 研究思路及创新性

第2章 电磁辐射下神经元的同步行为

2.1 前言

2.2 神经元模型

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 电磁辐射下心肌组织的电活动研究

3.1 前言

3.2 模型的描述

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 电磁感应和相噪声下神经元的动力学响应

4.1 前言

4.2 模型的描述

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 可激发介质中电磁感应和辐射诱发下的波传导

5.1 前言

5.2 模型的描述

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文