外電場作用下神經(jīng)元動力學(xué)分析與同步控制.pdf

1、精神疾病是危害人類健康的主要疾病之一，其主要原因體現(xiàn)在神經(jīng)元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)放電編碼異常，如帕金森癥(Parkinson's disease，PD)發(fā)病時主要表現(xiàn)為基底核放電同步異常。精神疾病的治療通常有藥物和物理療法，在物理療法中，以外部電刺激為手段的深度腦刺激(Deep Brain Stimulation，DBS)已經(jīng)成為治療這類疾病的基本醫(yī)療手段之一。DBS的基本原理是通過外部電刺激改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，其機理尚不完全清楚。目前，DBS的

2、治療處于開環(huán)狀態(tài)，其治療效果和能量消耗、參數(shù)調(diào)整等方面仍不能令人滿意。因此采用閉環(huán)控制DBS來提高其治療效果、實現(xiàn)能效優(yōu)化、參數(shù)自動整定是十分必要的。通過研究外部刺激下神經(jīng)元及其網(wǎng)絡(luò)的放電模式和特性以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的同步控制，能夠揭示DBS的作用原理，拓展DBS的控制方法，對于研究DBS的機制和提高DBS的治療水平具有重要意義。
　　 本文首先分析了神經(jīng)元放電模式研究與DBS治療疾病研究的現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上建立了外電場作用下神經(jīng)元放

3、電的最小模型，研究了不同頻率、不同幅值的外電場對神經(jīng)元放電模式的影響，得到了外部刺激與放電模式之間的關(guān)系。其次，建立了外電場作用下神經(jīng)元放電敏感性的簡化模型，分析了不同頻率、不同幅值的交變信號及噪聲與神經(jīng)元放電之間的關(guān)系，證明了神經(jīng)元對幅值、頻率及噪聲的敏感特性。第三，分析了不同幅值與不同相位的高頻擾動對神經(jīng)元響應(yīng)的影響-振動共振，得到一個高頻擾動幅值的最優(yōu)值，在該最優(yōu)值下神經(jīng)元對外部低頻信號輸入的響應(yīng)最強；研究了化學(xué)突觸與電突觸耦合的

4、神經(jīng)元對外部低頻信號的響應(yīng)情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)受到局部刺激時，化學(xué)突觸對神經(jīng)信息的傳遞比電突觸更有效率。最后，針對開環(huán)DBS現(xiàn)狀，將非線性控制理論應(yīng)用到神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)同步和去同步控制，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。為抑制干擾，提出自適應(yīng)內(nèi)?？刂粕窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)混沌同步，使神經(jīng)元達到期望的同步特性；提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近HH模型，利用H∞抑制逼近誤差和外部干擾的方法，實現(xiàn)了HH模型的同步控制；引入HH模型離子通道的隨機噪聲，利用模糊自適應(yīng)控制實現(xiàn)了在隨機噪聲作