【項目名稱】

大腦網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)建模與動力學(xué)分析

【項目負(fù)責(zé)人】

李松挺

【項目完成人】

李松挺、周棟焯

【項目完成單位】

自然科學(xué)研究院

合作單位：紐約大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)

【項目簡介】

目前，腦科學(xué)研究主要依賴實驗觀測，盡管人們已經(jīng)積累了大量關(guān)于大腦連接和活動的實驗數(shù)據(jù)，但對于許多重要實驗現(xiàn)象背后的數(shù)理機(jī)制仍缺乏相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和理論支撐，從而限制了我們對大腦計算原理的深入理解。本項目以獼猴和小鼠最新解剖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別構(gòu)建了包含腦區(qū)異質(zhì)性和神經(jīng)元異質(zhì)性特點的大尺度腦網(wǎng)絡(luò)模型，并發(fā)展嚴(yán)格的數(shù)學(xué)分析方法，定量探索大腦復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象的形成機(jī)制。

最新實驗發(fā)現(xiàn)，大腦皮層中不同的腦區(qū)神經(jīng)元的活動具有不同的響應(yīng)時間尺度，該特性與大腦的分層信息加工和處理密切相關(guān)，但其產(chǎn)生的機(jī)制仍為一個謎題。本項目構(gòu)建基于獼猴大腦結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的腦網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)模型，并通過發(fā)展微擾分析首次揭示了時間尺度層次結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵生物特性：不同腦區(qū)神經(jīng)元興奮特性的異質(zhì)性和層次性，以及長程興奮性輸入與局部抑制性輸入滿足細(xì)致平衡條件。這一成果為解釋大腦皮層時間尺度層級化現(xiàn)象提供了定量數(shù)學(xué)機(jī)制，對理解腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系具有重要意義。

此外，實驗發(fā)現(xiàn)大腦皮層下紋狀體會產(chǎn)生特定頻率的振蕩信號，與大腦的運動控制功能密切相關(guān)，但其產(chǎn)生的機(jī)制也尚未研究清楚。項目通過建立包含多神經(jīng)元類型的紋狀體神經(jīng)回路，并利用動力學(xué)分析方法，揭示了網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)beta頻段振蕩波等特點的數(shù)理機(jī)制和對應(yīng)的生物學(xué)基礎(chǔ)。此外，結(jié)合光遺傳和電生理閉環(huán)干預(yù)等實驗驗證，為揭示beta振蕩的機(jī)制提供了理論與實驗依據(jù)，有助于更全面解析如帕金森疾病發(fā)生時beta異常振蕩的神經(jīng)機(jī)制，對腦疾病的治療也具有重要的潛在應(yīng)用。