海马CA1神经回路电位发放的数值模拟

论文摘要

海马是大脑的一个重要组织,主要负责信息的存储,是人类及动物学习和记忆的关键部位。基于海马在学习和记忆过程中所扮演的重要角色,在脑科学的研究中,海马是一个重点。随着神经科学的迅速发展,对海马结构的研究也取得了很大的进步,特别是关于海马结构功能和海马神经网络的研究。经典的海马结构包括海马本体、齿状回、下托复合体和内嗅皮层四个部分。海马本体又分为CA1、CA2、CA3和CA4四区,其中CA1很小且不易辨认,在一些动物的海马中甚至不存在,在早期文献中,CA4有时指齿状回的多形层,有时指伸入齿状回的CA3锥体神经元,为了避免混淆,现已基本不再使用这种提法,所以,通常认为海马本体由CAl和CA3两个区组成。很多学者对海马的研究也集中在CA1和CA3上面,本文也是在前人研究的基础上,数值研究海马CA1中各类神经元以及CA1神经回路的电位发放特点。首先运用房室模型研究了锥体神经元对外界刺激的响应模式以及锥体神经元放电背后的离子机制,接着对中间神经元的电位发放进行了数值仿真,然后运用突触模型对突触传导进行了数值模拟,研究了神经元之间的信号传递过程和突触传导功能,仿真结果和实验结果或神经生物学的相关理论基本吻合,从而说明了文中的模型有一定的合理性。最后,在此基础上,结合海马CA1中神经元之间的实际连接情况,构造了一个包含11个神经元的海马CA1神经回路简化模型,试图探讨输出信号和输入信号之间的关系,即海马CA1对信号的加工编码原理。神经元的放电波形承载着电信号,不同的放电波形携带着不同的电信号,所以研究神经元的放电波形对研究神经元信息编码原理具有非常重要的意义,而ISI、动作电位发放频率以及每个簇中峰电位个数等等都是刻画放电波形的重要指标,可以从这几个方面来研究神经元的放电波形。本文数值计算方法采用四阶龙格-库塔法,计算及绘图软件采用C++、MatLab和OriginPro等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 计算神经科学
• 1.2 海马的研究背景及研究现状
• 1.3 海马的解剖学结构
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 计算神经科学的生物学基础
• 2.1 神经元
• 2.1.1 神经元的结构
• 2.1.2 膜离子通道
• 2.1.3 静息电位和动作电位
• 2.2 神经元之间的突触连接
• 2.3 神经信息编码
• 2.4 本章小结
• 第三章 神经元常见数学模型
• 3.1 H-H模型
• 3.2 Rall电缆模型
• 3.3 房室模型
• 3.4 常微方程数值解法
• 3.5 本章小结
• 第四章 模型及数值模拟
• 4.1 锥体神经元模型及数值模拟
• 4.1.1 锥体神经元模型
• 4.1.2 外界刺激对放电波形的影响
• 4.1.3 持续钠电导对放电波形的影响
• 4.1.4 快速钠电导对放电波形的影响
• 4.1.5 胞体树突耦合强度对放电波形的影响
• 4.2 中间神经元模型及数值模拟
• 4.2.1 中间神经元模型
• 4.2.2 直流刺激对放电波形的影响
• 4.2.3 交流刺激对放电波形的影响
• 4.3 突触模型及数值模拟
• 4.3.1 突触模型
• 4.3.2 中间神经元间突触传递数值模拟
• 4.3.3 锥体神经元与中间神经元间突触传递数值模拟
• 4.4 海马CA1 网络模型及数值模拟
• 4.4.1 网络结构介绍
• 4.4.2 模拟结果与分析
• 4.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢