陳穎源,王 江,曾啟明,陳偉樂,魏熙樂,鄧 斌
(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,天津 300072;2. 香港理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,香港 999077)
在神經(jīng)系統(tǒng)中,神經(jīng)元的放電模式蘊(yùn)含著大量的信息.聲、光、電以及機(jī)械等外界刺激通過影響神經(jīng)元的生理參數(shù)引發(fā)不同的放電模式,如峰放電、簇放電等.峰放電在動(dòng)力學(xué)上對應(yīng)著穩(wěn)定的極限環(huán)[1-2],而簇放電的動(dòng)力學(xué)特性更加復(fù)雜[2-9].受快慢離子通道的調(diào)節(jié),神經(jīng)元可表現(xiàn)出混沌簇放電[2-4]、反彈簇放電[5-6]等多種簇放電形式.研究認(rèn)為簇放電在從受體神經(jīng)元到腦皮層的神經(jīng)信息處理中發(fā)揮了重要的作用[7-8],而且還可以加強(qiáng)腦皮層各區(qū)域之間的聯(lián)系[9].同時(shí),不正常的簇放電則會(huì)破壞神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞.比如帕金森患者發(fā)病時(shí)在丘腦中繼細(xì)胞上觀察到的大量的反彈簇放電[5-6].
神經(jīng)元隨著參數(shù)的變化會(huì)產(chǎn)生分岔,從而引起不同放電模式的轉(zhuǎn)換.所以,通過調(diào)整分岔點(diǎn)的位置,可以使神經(jīng)元在某些參數(shù)下達(dá)到期望的放電特性[1,10].文獻(xiàn)[11]利用卡爾曼濾波器控制小腦皮層模型的頻率和放電模式.文獻(xiàn)[12]利用狀態(tài)反饋控制來抑制心臟中不正常的動(dòng)作電位.文獻(xiàn)[13]利用washout濾波器控制Hopf分岔點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)HH模型靜息狀態(tài)和周期放電狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換.washout濾波器不改變原系統(tǒng)的平衡點(diǎn),其在神經(jīng)系統(tǒng) Hopf分岔控制[13-16]和混沌控制[16-17]中應(yīng)用較廣.但是,對神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行鞍結(jié)分岔控制的研究鮮見文獻(xiàn)報(bào)道.筆者從Ghostburster模型[18-19]極限環(huán)上的鞍結(jié)分岔點(diǎn)出發(fā),通過washout濾波器調(diào)整鞍結(jié)分岔點(diǎn)的位置,以實(shí)現(xiàn)鞍結(jié)分岔點(diǎn)兩端放電模式的轉(zhuǎn)遷.
Ghostburster模型是來自于弱電魚電敏感側(cè)線葉(electrosensory lateral line lobe,ELL)椎體細(xì)胞的二室模型,有豐富的放電模式[18-19].2000年,Lemon和Turner[20]分析了 ELL椎體細(xì)胞中頻率的簇放電機(jī)制.2002年,Doiron等[18-19]研究了 ELL椎體細(xì)胞在外電場作用下的非線性特性,把多室結(jié)構(gòu)降維為二室并命名為 ghostburster模型.他們提出該模型的簇放電是由快子系統(tǒng)固定點(diǎn)詭異(ghost)的鞍結(jié)分岔產(chǎn)生的,這種鞍結(jié)分岔有別于傳統(tǒng)簇放電發(fā)生時(shí)快子系統(tǒng)從靜息態(tài)到極限環(huán)的分岔類型[1],靜息態(tài)并不存在,簇放電的時(shí)間間隔主要由無限周期分岔決定,這種分岔形式稱為“ghost”.這種特殊的簇放電為了解放電模式提供了新的見解.
筆者在 washout濾波器產(chǎn)生的控制效應(yīng)的基礎(chǔ)上,通過快慢系統(tǒng)分解,分析了 washout濾波器作用到鞍結(jié)分岔點(diǎn)上的內(nèi)在機(jī)制,發(fā)現(xiàn)快子系統(tǒng)固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔和快子系統(tǒng)從周期一極限環(huán)轉(zhuǎn)換到周期二極限環(huán)的臨界點(diǎn)之間的相互作用是該模型周期放電和簇放電產(chǎn)生的關(guān)鍵因素.
Ghostburster模型[18-19]是弱電魚 ELL椎體細(xì)胞的二室模型.它描述了胞體和樹突之間信息的傳導(dǎo),從整體上刻畫了柱狀細(xì)胞的動(dòng)力學(xué)行為.Ghostburster模型包含了6個(gè)非線性微分方程.
1)胞體部分
2)樹突部分
其中,式(1)和(3)分別為胞體和樹突膜電壓的微分方程,Iu為控制電流項(xiàng).胞體和樹突之間通過簡單的耗散電流耦合.各個(gè)離子通道電流(INa,s,IDr,s,INa,d,IDr,d)受最大電導(dǎo) gmax(單位為 m s/cm2),S型激活和失活概率曲線w = n ,h,p)及通道時(shí)間常數(shù)τ(單位為ms)影響,其參數(shù)選擇參見文獻(xiàn)[18].其他參數(shù)選擇如下:gc=1,κ= 0 .4,VNa= 4 0mV,VK=?8 8.5mV ,Vleak=?7 0mV,gleak= 0 .18,Cm= 1 μF/cm2.本文用去極化電流 Is作為分岔參數(shù)來研究 Ghostburster模型的動(dòng)力學(xué)特性.圖1是放電頻率f( f = 1 /TISI,ISI為峰峰間期)和最大Lyapunov指數(shù)λ隨著分岔參數(shù) Is變化的圖形.
圖1 放電頻率f和Lyapunov指數(shù)λ隨去極化電流Is變化的分岔圖Fig1 Bifurcatim diagram of f and λ as Is varied
(1) 當(dāng)Is<Is1時(shí),神經(jīng)元處于靜息狀態(tài),系統(tǒng)存在一個(gè)穩(wěn)定的平衡點(diǎn)和一個(gè)不穩(wěn)定的平衡點(diǎn),這時(shí)f=0,λ=0.
(2) 當(dāng)Is= Is1( ≈ 5 .8μ A /cm2)時(shí)產(chǎn)生了不變環(huán)上固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔,2個(gè)平衡點(diǎn)碰撞消失,產(chǎn)生一對穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán).
(3) 當(dāng) Is1<Is<Is2時(shí),穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)共存.神經(jīng)元呈現(xiàn)周期放電狀態(tài),這時(shí)峰峰間期(ISI)為常數(shù),f也為常數(shù),λ=0.在該區(qū)間內(nèi)的典型響應(yīng)如圖2(a)和(b)所示.
(4) 當(dāng)Is= Is2( ≈ 8 .5μ A /cm2)時(shí)產(chǎn)生極限環(huán)的鞍結(jié)分岔,這是一種接近余維2(near codimension-2)的鞍結(jié)分岔[1].穩(wěn)定的極限環(huán)和不穩(wěn)定的極限環(huán)碰撞消失,從而產(chǎn)生混沌現(xiàn)象.
(5) 當(dāng) Is2< Is< Is3時(shí),神經(jīng)元不存在穩(wěn)定的極限環(huán).在大部分參數(shù)下其 ISI是變化的,故f也是變化的.λ>0表明神經(jīng)元處于混沌狀態(tài),而λ=0表明系統(tǒng)進(jìn)入了周期窗口(比如 Is在 [ 13.13μA/cm2,13.73μA /cm2]區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)六周期解).在該區(qū)間內(nèi)的典型響應(yīng)如圖2(c)和(d)所示.
(6) 當(dāng) Is= Is3≈ 1 7.65μA /cm2時(shí),系統(tǒng)在該參數(shù)附近產(chǎn)生倍周期分岔,產(chǎn)生了二周期解.
(7) Is>Is3時(shí)神經(jīng)元呈二周期簇放電狀態(tài),所以λ= 0 .在該區(qū)間內(nèi)的典型響應(yīng)如圖2(e)和(f)所示.
圖2 Ghostburster模型在3類典型電流輸入下的響應(yīng)Fig.2 Time series of somatic membrane potential Vs and dendritic membrane potential Vd of ghostburster model with 3 different current stimulations
Washout濾波器實(shí)際上是一個(gè)高通濾波器,其穩(wěn)態(tài)輸入被濾除,而暫態(tài)輸入則得到保留.一維washout濾波器[13,17,21]可設(shè)計(jì)為
式中:x為 washout濾波器的輸入;d為 washout濾波器時(shí)間常數(shù)的倒數(shù);z為 washout濾波器的狀態(tài);y為輸出函數(shù). ()gy是待設(shè)計(jì)的控制函數(shù).濾波器有2個(gè)條件需要滿足,一個(gè)是 d > 0 以保證濾波器的穩(wěn)定性.另一個(gè)是 g ( 0)= 0 以保留初始平衡點(diǎn).加入washout濾波器后,新系統(tǒng)(式(1)~式(7))將變成七階系統(tǒng).因?yàn)?Vs在反饋系統(tǒng)中易于測量,令 x = Vs作為唯一的控制器輸入.為了簡化控制參數(shù)的選擇,控制函數(shù)只包含一個(gè)線性項(xiàng),表示為
式中K為反饋控制器增益.由圖 1可知 Is=Is2(≈8.5μA/cm2)2端存在著2種不同的狀態(tài):周期放電和混沌簇放電.故本文把控制目標(biāo)設(shè)定為實(shí)現(xiàn)這2種狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換.根據(jù) Izhikevich的描述,Is2附近發(fā)生的是極限環(huán)上接近余維 2的鞍結(jié)分岔[1],要從數(shù)值上精確確定分岔點(diǎn)的位置非常困難.所以,只能從經(jīng)驗(yàn)上通過調(diào)節(jié)參數(shù)K和d來達(dá)到期望的特性.
2.2.1 從混沌簇放電到周期放電的轉(zhuǎn)遷
圖3為washout濾波器參數(shù)的變化對最大Lyapunov指數(shù)λ的影響.由圖 3可知在同一d下隨著K增加λ呈遞減趨勢,但是并不單調(diào).而且,d不同時(shí)λ作為K的函數(shù)變化并無太大區(qū)別.K增加到一定值后λ為負(fù)值,說明神經(jīng)元呈現(xiàn)周期放電狀態(tài).為了分析方便,把濾波器參數(shù)設(shè)置為 K = 0 .3、d = 0 .4.圖 4表示的是加上控制器前后胞體和樹突膜電壓的時(shí)間序列.控制量在 t = 2 00ms 時(shí)加入.在經(jīng)過一個(gè)短的暫態(tài)過程后,神經(jīng)元從混沌簇放電轉(zhuǎn)換為周期放電.圖 5是加入控制器以后,λ和f隨著 Is變化.因?yàn)閣ashout濾波器并不改變平衡點(diǎn)的特性,第1分岔點(diǎn)仍然在 Is1= 5 .8μA /cm2處.第 2分岔點(diǎn) Is2從8.5μA/cm2移至11.7μA/cm2,使I=9.0在區(qū)間s[Is1, Is2]內(nèi),模型呈周期放電狀態(tài).第 3分岔點(diǎn) Is3從17.65μA/cm2延后至20.8μA/cm2.混沌區(qū)域[I ,I ]的s2s3大小幾乎保持不變,只是做了一段平移.這是因?yàn)閣ashout濾波器只是改變了全系統(tǒng)的極限環(huán)的鞍結(jié)分岔位置,而快子系統(tǒng)固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔幾乎沒有任何改變造成的.
圖3 在不同d下λ隨K變化的情況(Is=9.0 μA/cm2)Fig.3 Maximum Lyapunov exponents λ as a function of K while parameter d varied(Is=9.0 μA/cm2)
圖4 Is =9.0 μA /cm2,K =0.3和 d =0.4時(shí)神經(jīng)元的放電時(shí)間序列(控制項(xiàng)在t=200 ms時(shí)加入)Fig.4 Time series of ghostburster model with I s =9.0 μA /cm2,K=0.3 and d=0.4 (t=200 ms)
圖 5 加入控制器(參數(shù)為 0.3K= , 0.4d= )后 ghostburster模型狀態(tài)隨著去極化電流 sI變化的分岔圖Fig.5 Bifurcation diagram of fand λafter adding controller with 0.3=K ,0.4=d
2.2.2 從周期放電到混沌簇放電或其他放電模式的轉(zhuǎn)遷
在極限環(huán)的鞍結(jié)分岔點(diǎn)左方取 Is= 8 .0μA /cm2.為分析方便仍然取 d = 0 .4.圖 6給出了在 K =?0 .2、K=?1 .0和 K =?2 .0時(shí)胞體的動(dòng)作電位.控制項(xiàng)在t= 1 00ms時(shí)加入.隨著K減小,神經(jīng)元先是轉(zhuǎn)變成周期簇放電,然后再轉(zhuǎn)變成高頻峰放電.在混沌區(qū)域內(nèi),λ劇烈波動(dòng).通過λ的變化確定系統(tǒng)混沌時(shí)K的取值范圍.當(dāng)d=0.4時(shí),K的取值在[?0.8,0]之間.隨著d的增加,K的取值范圍也在增加.圖7(b)圖.因?yàn)?pd對快子系統(tǒng)的直接作用對象是樹突膜電壓 Vd,為分析方便選擇 Vd作為快子系統(tǒng)的代表變量進(jìn)行研究.分岔圖頂部帶三角形標(biāo)志實(shí)線為在不同pd下 Vd在周期軌道上的極大值. pd= pd1是快子系統(tǒng)將 -Kd平面( 0K< )劃分成2部分,神經(jīng)元在該平面上半部分呈混沌簇放電狀態(tài),在下半部分呈周期簇放電狀態(tài).所以,K為負(fù)時(shí)可以達(dá)到將周期放電轉(zhuǎn)換為混沌簇放電或高頻放電的目的.
圖 6 不同的 washout控制參數(shù)下胞體的放電時(shí)間序列(Is=8.0 μA/cm2,d=0.4,控制項(xiàng)在 t=100 ms時(shí)加入)Fig.6 Membrane potential of soma before and after control with different parameters (Is=8.0,μA/cm2,d=0.4,and t=100 ms)
圖7 不同控制參數(shù)下放電模式的區(qū)域劃分Fig.7 Regions of firing patterns divided by different control paramters
為了分析washout濾波器對ghostburster模型分岔點(diǎn)的作用機(jī)制,利用奇異攝動(dòng)理論[22-23],將ghostburster模型分成一快一慢2個(gè)子系統(tǒng),表示為
式中x為快變量的向量.在原始系統(tǒng)中,該向量包含了 Vs、Vd、ns、hd和 nd5個(gè)變量.因?yàn)?washout濾波器的常數(shù)大約為2.5 ms(1d),約為τpd的一半,所以washout濾波器變量z也應(yīng)為快變量.在快子系統(tǒng)變化過程中 pd可以近似為常數(shù),所以其為慢變量. f ( x , pd)在原始模型中表示的是式(1)~式(5),而在控制模型中表示的是式(1)~式(5)和式(7).
2.3.1 從混沌簇放電到周期放電轉(zhuǎn)遷的情況
圖 8 對于延后鞍結(jié)分岔點(diǎn)的快慢系統(tǒng)分析( Is= 9 .0μA /cm2,K= 0 .3, d = 0 .4)Fig.8 Analysis of fast-slow subsystem in the case of delaying bifurcation point( I s = 9 .0 μ A /cm2,K = 0 .3,d = 0 .4)
圖 8(a)是當(dāng) Is= 9 .0μA /cm2時(shí)快子系統(tǒng)的分岔周期一極限環(huán)和周期二極限環(huán)的分界點(diǎn).在 pd>pd1時(shí) Vd只有 1個(gè)極大值,而在 pd<pd1時(shí)有2個(gè)極大值.分岔圖中部帶方塊標(biāo)志實(shí)線為 2個(gè)連續(xù)放電之間 Vd的平均值 Vd,表示為式中 ti是第i個(gè)放電的放電時(shí)間.樹突膜電壓 Vd在pd<pd1時(shí)呈二周期簇放電狀態(tài),其第2個(gè)放電的峰值減小,和下一個(gè)放電之間的時(shí)間間隔拉長.所以Vd在pd= pd1處也出現(xiàn)了一個(gè)明顯的拐點(diǎn).分岔圖底部帶空心圓點(diǎn)的長虛線 d pdd t = 0 為 pd零值線,其和 Vd曲線交于 pd= pd2< pd1,在該點(diǎn)處由正變負(fù).在 pd=(= 2 .207749> pd1)處快子系統(tǒng)出現(xiàn)了固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔.因?yàn)?pd是鉀離子通道的失活變量,增加 pd相當(dāng)于減小去極化電流 Is.
把全系統(tǒng)的解投射到 Vd-pd相平面上(圖 8(b)中帶箭頭的實(shí)線)來分析簇放電的產(chǎn)生過程.假設(shè)解軌跡從位于 pd零值線下方的 A 點(diǎn)出發(fā),因?yàn)閐pddt > 0 ,軌跡向右邊緩慢移動(dòng).在穿過 pd零值線后,由于 d pdd t < 0 ,軌跡向左移動(dòng)并突然產(chǎn)生一次放電上跳至 Vd最大值曲線的某一點(diǎn).之后,受復(fù)極化變量 hd的作用,Vd下落跌回 pd零值線的下方.Vd-pd軌跡盤旋左移遠(yuǎn)離固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔點(diǎn) pd=,放電頻率也逐漸增加.在進(jìn)入 pd(t)<pd1區(qū)域以后,軌跡從周期一峰放電轉(zhuǎn)換成周期二峰放電,這是一次高頻二次放電,第 2次放電的幅值會(huì)減小從而使 Vd減?。?dāng),p (t)重新增加逐漸d進(jìn)入“詭異的”鞍結(jié)分岔點(diǎn). pd越接近,移動(dòng)也就越緩慢,所以簇放電之間的間隔拉長.這種簇放電是混沌的,具有不可重復(fù)性,其產(chǎn)生取決于解軌跡能否從周期一區(qū)域進(jìn)入周期二區(qū)域從而產(chǎn)生不完全的放電[18].
圖8(c)是加上washout濾波器反饋控制(參數(shù)為d= 0 .4, K = 0 .3)以后快子系統(tǒng)的分岔圖.當(dāng)dpddt = 0 時(shí),pd由 Vd唯一確定,所以 pd零值線和圖8(a)相比沒有變化.通過對比還可以發(fā)現(xiàn) pd1左移而pd2右移,它們相互靠近使 Vd-pd軌跡進(jìn)入周期二區(qū)域越來越難. pd1和 pd2越靠近,產(chǎn)生不完全的放電就越困難.解軌跡向右移動(dòng),而固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔并沒有變化. pd在進(jìn)入 pd(t)<pd1區(qū)域之前返回高值區(qū)域,在這種情況下產(chǎn)生簇放電的條件并不滿足.所以系統(tǒng)只能產(chǎn)生周期放電(圖 4(a)和(b),t = 2 00ms 后部分).
2.3.2 從周期放電到混沌簇放電或其他放電模式的情況
圖 9(a)是當(dāng) Is= 8 .0μA /cm2時(shí),原系統(tǒng)的快子系統(tǒng)分岔圖及全系統(tǒng)解在 Vd-pd平面上的投影疊加到分岔圖上的情形,pd1和 pd2的距離和圖 8(a)相比縮短了,而固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔= 1 .472756則更接近pd1.在 pd1,pd2和相互作用下,解軌跡被夾在 pd1和之間,系統(tǒng)周期放電.
圖 9(b)為當(dāng) washout濾波器參數(shù)為 d = 0 .4,K=? 0 .2時(shí)快子系統(tǒng)的分岔圖.和圖 9(a)相比,固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔保持不變,但是 pd1的位置右移而pd2左移,兩者距離拉長使解軌跡易于進(jìn)入周期二區(qū)域,所以,整個(gè)軌跡向左移動(dòng),系統(tǒng)呈混沌放電狀態(tài)(圖6(a),t = 1 00ms后部分).繼續(xù)減小washout濾波器的參數(shù)K(圖 9(c),K =?1 .0),pd1和解軌跡都繼續(xù)左移,而 Vd曲線上升,和 pd零值線不再具有交點(diǎn).全系統(tǒng)只能產(chǎn)生一個(gè)完全放電和一個(gè)不完全放電,呈周期二簇放電狀態(tài)(圖 6(b),t = 1 00ms 后部分).進(jìn)一步減小K( K=?2 .0)時(shí)(圖 9(d)~(f)),pd1和之間的距離繼續(xù)減小,周期二區(qū)域右移.在圖 9(d)中 Vd,max左端,快子系統(tǒng)從右到左經(jīng)歷了一次從周期二極限環(huán)到周期一極限環(huán)的轉(zhuǎn)換過程,其臨界點(diǎn)記為 pd2.為簡單起見,把加入控制器以前,加入控制器以后的過渡階段和穩(wěn)定階段的解軌跡分別疊加到分岔圖上.從圖 9(d)可知軌跡是周期的,但是在washout濾波器加入以后,解軌跡馬上遠(yuǎn)離固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔.周期二區(qū)域同時(shí)右移把解軌跡包含在內(nèi).因?yàn)榻廛壽E不能馬上變化,它只能盤旋左移產(chǎn)生不完全的放電并穿越 pd2圖9(e).在 pd<pd2時(shí),解軌跡逐漸收斂成一個(gè)極限環(huán)(圖 9(f)).所以,樹突膜電壓呈高頻小幅震蕩狀態(tài),而在胞體則體現(xiàn)為高頻峰放電.
綜上所述,外電流的加入改變了 Ghostburster模型快子系統(tǒng)從周期一極限環(huán)轉(zhuǎn)換到周期二極限環(huán)的臨界點(diǎn) pd1,樹突平均模電壓的正負(fù)分界點(diǎn) pd2和快子系統(tǒng)固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔的位置.而 washout濾波器只改變 pd1和 pd2的位置.考慮到 pd2并不總是存在(如圖9(c) 和(d)的情況),可以得出washout濾波器通過影響 pd1產(chǎn)生樹突的不完全放電,從而影響整個(gè)ghostburster神經(jīng)元是否產(chǎn)生簇放電的結(jié)論.
圖9 對于提前鞍結(jié)分岔點(diǎn)的快慢系統(tǒng)分析( Is=8.0μA /cm2,d=0.4)Fig.9 Analysis of fast-slow subsystem in case of advancing bifurcation point( I s=8.0μA /cm2,d=0.4)
將 washout濾波器作為反饋控制器加入到ghostburster模型中以實(shí)現(xiàn)極限環(huán)上的鞍結(jié)分岔點(diǎn)附近的放電模式轉(zhuǎn)換.然后,通過把系統(tǒng)分成快慢 2個(gè)子系統(tǒng),研究了 washout濾波器作用于 ghostburster模型的機(jī)制.因?yàn)閣ashout濾波器并不改變系統(tǒng)平衡點(diǎn)(包括全系統(tǒng)和快子系統(tǒng))的位置,所以其通過改變從周期一極限環(huán)轉(zhuǎn)換到周期二極限環(huán)的臨界點(diǎn)的位置來實(shí)現(xiàn)放電模式的轉(zhuǎn)遷.而外加電流除了改變上述分岔外,還可以改變快子系統(tǒng)固定點(diǎn)的鞍結(jié)分岔.本文的研究明確了 ghostburster模型的簇放電形成機(jī)制.在以后的研究中會(huì)繼續(xù)探討鞍結(jié)分岔控制對神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制,以期為神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷和治療提供參考.
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