基于突触可塑性的兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态机制研究

摘要

大脑皮层神经元输入包括兴奋性和抑制性突触电流，二者的平衡在皮层神经元及神经网络的稳定性和信息处理调控中起到关键作用。神经元放电率自稳态是神经电活动的典型特征，是神经信息整合、调整、传递的基础，其有助于深入了解大脑皮层的功能机制。大量实验研究表明突触可塑性是大脑皮层建立和维持兴奋性和抑制性平衡及神经元放电率自稳态的重要途径，但其具体机制仍不清楚、有待进一步探明。基于以上背景，本文构建反馈神经回路模型，并在模型中引入突触可塑性，通过该模型研究基于突触可塑性的神经元兴奋性-抑制性平衡以及放电率自稳态机制。
　　本文首先建立了具有兴奋性和抑制性反馈回路的神经回路模型，模型主要由前向通路及兴奋性与抑制性反馈回路构成，同时在模型中引入了突触可塑性。模型中的神经元采用 Leaky Integrate-and-Fire（LIF）神经元模型的实现形式，突触可塑性采用放电时刻依赖的可塑性规则（spike-timing-dependent plasticity，STDP）。基于单个神经元的LIF数学机理和突触可塑性模型的基本原理实现了反馈神经回路模型，并依据神经解剖学数据确定模型中相关参数值。
　　应用反馈神经回路模型研究基于突触可塑性的神经元兴奋性和抑制性突触电流平衡问题。首先分别采用兴奋性突触电流与抑制性突触电流之和、兴奋性突触电流绝对值和抑制性突触电流散点图、兴奋性突触电流绝对值与抑制性突触电流比值等方法对兴奋性-抑制性平衡进行定量研究，研究结果表明在突触可塑性的调控下神经元兴奋性和抑制性突触电流可实现精确的平衡。然后研究了神经元兴奋性-抑制性平衡的鲁棒性问题，研究表明在存在输入干扰或参数扰动的情况下，神经元仍能维持其兴奋性-抑制性平衡，表明神经元兴奋性-抑制性平衡具有很强的鲁棒性。最后初步分析了基于抑制性突触可塑性的神经元兴奋性-抑制性平衡机制。
　　应用反馈神经回路模型研究基于突触可塑性的神经元放电率自稳态问题。首先采用前向通路神经元膜电位和放电率统计分析的方法对神经元放电率自稳态特性进行定量分析；研究表明在突触可塑性的调控下，神经元的实际放电率等于目标放电率，呈现明显的放电率自稳态特性。然后研究了神经元放电率自稳态特性的鲁棒性问题，表明在存在输入干扰或参数扰动的情况下，神经元仍能维持目标放电率。其次从突触可塑性的学习规则入手，定量分析了放电率自稳态机制，解释了神经元实际放电率等于目标放电率的原因和放电率的变化过程。最后定性分析了神经元兴奋性-抑制性平衡与放电率自稳态之间的关系，表明神经元的兴奋性和抑制性平衡与放电率自稳态之间存在内在联系，表明二者的机制在本质是相同的。
　　讨论部分的研究表明，对于兴奋性与抑制性突触均具有可塑性的情况，当抑制性突触学习率大于兴奋性突触学习率时神经元才可取得兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态；如果突触不具有可塑性，仅依靠反馈结构神经元并不能取得较精确的兴奋性-抑制性平衡及神经元放电率自稳态；反馈回路中兴奋性和抑制性神经元数目越多越有利于取得较精确的兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态；突触可塑性参数值对神经元取得兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态的动态响应速度具有明显的影响。
　　本文的研究表明，突触可塑性是神经元实现兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态的重要机制。兴奋性-抑制性平衡及放电率自稳态是神经科学领域的核心科学问题，本文的研究对于理解兴奋性-抑制性平衡和放电率自稳态具有重要的参考价值。

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第1章 前言

1.1研究背景

1.1.1兴奋性和抑制性平衡

1.1.2放电率自稳态

1.2研究目的、创新点

第2章 研究对象与方法

2.1反馈神经回路模型

2.1.1模型结构

2.1.2神经元模型

2.1.3抑制性突触可塑性模型

2.1.4兴奋性突触可塑性模型

2.2方法

第3章 研究结果

3.1 兴奋性与抑制性平衡

3.1.1主要结果

3.1.2兴奋性-抑制性平衡的鲁棒性分析

3.1.3兴奋性-抑制性平衡机制

3.2放电率自稳态

3.2.1主要结果

3.2.2放电率自稳态的鲁棒性分析

3.2.3放电率自稳态机制

3.3 兴奋性-抑制性平衡与放电率自稳态的关系

第4章 讨论与结论

4.1讨论

4.1.1兴奋性与抑制性突触均具有可塑性

4.1.2 突触无可塑性

4.1.3反馈回路神经元个数的影响

4.1.4 模型参数的影响

4.1.5抑制性突触强度演化过程

4.2结论

4.3展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

综述：基于兴奋性和抑制性动态平衡的神经振荡调控机制

致谢