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.2013;8（1）：e55403。
doi:10.1371/journal.pone.0055403。 Epub 2013年1月31日。

神经元网络中缺陷、螺旋波的形成机制

吴信义 1, 马骏（Jun Ma）
附属公司

神经元网络中缺陷、螺旋波的形成机制

吴信义等。 公共科学图书馆一号. 2013.

摘要

利用考虑离子通道的Morris-Lecar（ML）神经元构造了一个规则的神经元网络，并详细研究了螺旋波形成的潜在机制。通过人为缺陷和/或离子通道中的部分阻断（中毒）来阻断目标波，从而引发多个螺旋波。此外，还全面讨论了螺旋波形成的可能条件和部分通道阻塞的影响。我们的结果总结如下。1） 目标波的出现依赖于从外部强迫流映射而来的具有多样性的跨膜流，这种多样性与介质的空间异质性有关。2） 通过部分阻断部分神经元（局部中毒区）的离子通道，当目标波被破坏时，可以诱导明显的螺旋波占据网络，这些螺旋波与人工缺陷诱导的螺旋波类似。已经证实，网络中某些神经元的部分通道阻断与人工缺陷在破坏目标波方面起着类似的作用；3） 还考虑了信道噪声和加性高斯白噪声，证实了存在噪声时网络中也会产生螺旋波。根据上述结果，我们得出结论，网络中神经元离子通道的适当中毒是时空模式演化的“缺陷”，并解释了神经元网络中出现螺旋波的原因。这些结果可能有助于理解神经系统皮层螺旋波形成和发展的潜在原因。

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数字

图1
图1。同步因子与具有多样性的强制电流的分布。
受电流影响的局部区域大小我 0标记为S公司 = 9 (90≤我≤92, 90≤j个≤92),S公司 = 16 (90≤我≤93, 90≤j个≤93),S公司 = 25 (90≤我≤94, 90≤j个≤94），S公司 = 36 (90≤我≤95, 90≤j个≤95),S公司 = 49 (90≤我≤96, 90≤j个≤96），耦合强度天 = 4和瞬态周期约为800个时间单位。
图2
图2。由具有多样性的强迫洋流引起的形成的目标波。
耦合强度天 = 4，S=3×3（90≤我≤92, 90≤j个≤92),我 1 = 40.用于我 0 = 49（面板a），我 0 = 51（面板b），我 0 = 53（面板c），我 0 = 55（面板d），瞬态t吨 = 使用800个时间单位和无流量边界条件。
图3
图3。由具有多样性的强迫洋流引起的形成的目标波。
耦合强度天 = 4，S=7×7（90≤我≤96, 90≤j个≤96),我 1 = 40，用于我 0 = 49（面板a），我 0 = 51（面板b），我 0 = 53（面板c），我 0 = 55（面板d），瞬态t吨==========================================================================使用800个时间单位和无流量边界条件。
图4
图4。由具有多样性的强迫洋流引起的形成的目标波。
强制电流我 0 = 41，耦合强度天 = 4，S=3×3（90≤我≤92, 90≤j个≤92),我 1 = 40，瞬态t吨 = 使用800个时间单位和无流量边界条件。
图5
图5。具有多样性的强迫流分布与产生目标波的强迫面积。
电流作用下平方尺寸的双参数空间网络中目标波的起始阈值我 0和梯度电流Δ我 = 我 0−我 1.
图6
图6。不同人工缺陷引起的螺旋波的形成。
通过不同尺寸的人工缺陷破坏目标波，形成螺旋波。缺陷区域在90≤的矩形区域内我≤95, 1≤j个≤10（面板a），90≤我≤95, 1≤j个≤30（面板b），90≤我≤95, 1≤j个≤50（面板c（c）) ,90≤我≤95, 1≤j个≤70（面板d），90≤我≤95，1≤j个≤90（面板e（电子）), 90≤我≤95, 1≤j个≤100（面板（f）). 该区域神经元膜电位的变量设置为零，具有多样性的强迫电流选择为我 0 = 60和我 1 = 4、耦合强度天==============================================================2、过渡期t吨 = 使用800个时间单位和无流量边界条件。
图7
图7。钾离子通道阻断引起的靶波形成。
发达国家(t吨 = 800时间单位）我≤100, 90≤j个≤100）被阻塞在x个 钙 = 1、耦合强度天===============================================================4，用于x个 k个 = 0.1（面板a），x个 k个 = 0.2（面板b），x个 k个 = 0.3（面板c），x个 k个 = 0.4（面板d）。
图8
图8。由具有多样性的强迫流引起的目标波与局部中毒区域之间的相互作用。
钾离子通道中毒区域标记为90≤我≤95, 1≤j个≤100，适用于x个 k个 = 0.1（面板a），x个 k个 = 0.2（面板b），x个 k个 = 0.3（面板c），x个 k个 = 0.4（面板d），x个 k个 = 0.5（面板e），x个 k个 = 0.6（面板（f）)具有多样性的外部强制电流被施加为我 0 = 90≤的节点上55个我≤93, 1≤j个≤93,我 2 = 40，耦合强度天 = 4、过渡期t吨 = 800个时间单位，并且不使用通量边界条件。
图9
图9。人工缺陷破坏目标波时，不同信道噪声下螺旋波的发展。
人工缺陷面积90≤我≤95, 1≤j个≤100 (V（V）ij公司 = 0). 受具有多样性的外部电流强迫的区域靠近网络中心（90≤我≤100, 90≤j个≤100). 对于我 0 = 90,N个 0===============================================================200（a组）；我 0 = 90,N个 0 = 250（面板b）；我 0 = 110,N个 0 = 200（面板c）；我 0==============================================================110,N个 0 = 250（面板d）；在我 2 = 40，耦合强度天 = 2、过渡期t吨 = 使用800和无流量边界条件。
图10
图10。一定信道噪声（信道数）下螺旋波的发展N个0 = 1000），当目标波被局部中毒区域破坏时。
阻塞面积在90以内≤我≤95, 1≤j个≤100。受具有多样性的外部电流强迫的区域靠近网络中心（90≤我≤95, 90≤j个≤95),我 0 = 60,我 2 = 40，用于x个 k个 = 0.1（面板a）；x个 k个 = 0.2（面板b），x个 k个 = 0.3（面板c），x个 k个 = 0.4（面板d），x个 k个 = 0.5（面板e），x个 k个 = 0.6（面板（f）)，耦合强度天====================================================================2、过渡期t吨 = 使用800和无流量边界条件。
图11
图11。一定信道噪声（信道数）下螺旋波的发展N个0 = 500）当目标波被局部中毒区域破坏时。堵塞（中毒）区域90≤我≤95, 1≤j个≤100。
受具有多样性的外部电流强迫的区域靠近网络中心（90≤我≤95, 90≤j个≤95),我 0 = 60,我 2 = 40，用于x个 k个 = 0.2（面板a）；x个 k个 = 0.3（面板b），x个 k个 = 0.4（面板c），x个 k个 = 0.5（面板d），耦合强度天 = 2、过渡期t吨 = 使用800和无流量边界条件。
图12
图12。不同加性高斯白噪声下螺旋波的演化。
阻塞面积在90以内≤我≤95, 1≤j个≤100,x个 k个 = 0.3. 具有多样性的外部电流所施加的面积在90≤的范围内我≤95, 90≤j个≤95,我 0 = 60,我 1 = 40，噪音强度天噪音 = 100（面板a）；天噪音 = 200（b组）；天噪音 = 300（面板c）；天噪音 = 500（面板d），耦合强度天 = 2、过渡期t吨 = 800，并且不使用通量边界条件。
图13
图13。由于钙离子通道堵塞而形成的图案。
发达国家(t吨 = 800时间单位），当正方形阵列中的神经元中的一些钙通道（95≤我≤100, 95≤j个≤100）被阻塞在x个 k个 = 1、耦合强度天 = 4，用于x个 钙 = 0.1（面板a），x个 钙 = 0.2（面板b）。
图14
图14。在具有多样性和钙离子通道阻塞的强迫电流下形成的图案。
发达国家(t吨 = 800个时间单位），当方阵中神经元的某些钙通道（90≤我≤95, 1≤j个≤100）被阻塞在x个 k个 = 1，用于x个 钙 = 0.1（面板a），x个 钙 = 0.2（面板b），x个 钙===============================================================0.3（面板c），x个 钙 = 0.4（面板d）；在95≤的局部区域施加具有多样性的强迫电流我≤100, 100≤j个≤105，带我 0 = 60,我 1 = 40用于其他节点，耦合强度天 = 4
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出版物类型

赠款和资金

这项工作得到了国家自然科学基金（11265008号）的部分资助。资助者在研究设计、数据收集和分析、决定出版或编写手稿方面没有任何作用。本研究没有收到额外的外部资金。