空間異質(zhì)性對于可激發(fā)介質(zhì)螺旋波的調(diào)控作用.pdf

1、斑圖在自然界中是極其常見的現(xiàn)象，不論是在空間上或者是在時間上，人們都能觀察到具有宏觀性質(zhì)的非均勻的含有某些規(guī)律的斑圖。螺旋波則是在物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)擴散體系中存在的一種時空斑圖現(xiàn)象。人們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元系統(tǒng)及心臟中都存在螺旋波，并且觀察到心臟體系和神經(jīng)系統(tǒng)中的螺旋波起著負面作用，例如，生物系統(tǒng)中出現(xiàn)的螺旋波和特別是螺旋波的破裂常常是有害的。臨床上發(fā)現(xiàn)，在患有心肌疾病的患者中，心律不齊和心動過速可能與人體心臟中的螺旋波破裂有關(guān)，例如，在心肌

2、組織中，螺旋波的破裂和死亡都會引起心室纖維性顫動，嚴重的甚至會導(dǎo)致心臟猝死而危及生物體的生命。影響螺旋波破裂的因素有很多，其中就有因老年化引起細胞死亡數(shù)量的凈增加。因此本文選用FHN模型進行仿真模擬，一方面，考察細胞老年化對于神經(jīng)元系統(tǒng)中螺旋波的影響，另一方面，我們引入外界電信號刺激，探討其緩解因螺旋波破裂所帶來的負面影響。本文主要分為螺旋波相關(guān)知識和規(guī)律的介紹、考察老齡化對于螺旋波的影響兩大部分。
　　論文的第一部分主要介紹非線

3、性、斑圖、神經(jīng)元系統(tǒng)、以及螺旋波破裂、緩解螺旋波破裂等內(nèi)容。
　　論文的第二部分的主要討論細胞老齡化對于神經(jīng)元系統(tǒng)中螺旋波動力學(xué)的影響。研究中發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，肌體組織中死亡細胞數(shù)目將大于新生細胞，因此，老齡化的過程表現(xiàn)為器官組織中細胞死亡數(shù)目的凈增加，并且這些死亡細胞將隨機分布于肌體組織中，使得空間介質(zhì)不均勻性增加，從而使介質(zhì)中的可激發(fā)性降低。這將會引起包括心臟體系和神經(jīng)元系統(tǒng)在內(nèi)的一些組織和器官的疾病，嚴重影響老年人群的生

4、活質(zhì)量和身心健康。因此，通過理論模擬，探討如何利用外部刺激信號調(diào)控螺旋波，從而減輕甚至消除老齡化對于神經(jīng)系統(tǒng)及心臟體系的影響就具有十分重要的現(xiàn)實意義。
　　模擬過程中，我們選用Fitzhugh-Nagumo(FHN)神經(jīng)元體系模型作為研究對象，構(gòu)建 N*N二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，考察老齡化對于人體神經(jīng)元組織中螺旋波的影響。為分析模擬結(jié)果，我們記錄體系中細胞膜電壓，并計算同步因子，探索刺激信號緩解老年化對于螺旋波的影響。相關(guān)工作已經(jīng)發(fā)表在《計

5、算生物學(xué)》雜志2014年的第4期上。
　　實驗結(jié)果表明，隨著年齡的增加，肌體組織中死亡細胞數(shù)目會逐漸增加，當這些死亡的細胞像雜質(zhì)一樣分布于肌體之中，并且達到一定程度時，會引起螺旋波的破裂或者消失。此時，若從外部引入電信號刺激，則會發(fā)現(xiàn)，當設(shè)置信號的頻率和強度為某一特定值時，可以對破裂的螺旋波有一定程度的恢復(fù)。
　　總之，本文從理論的角度，考察了老齡化對神經(jīng)元組織中螺旋波動力學(xué)的影響，同時還探討了一定頻率的外部刺激信號對螺旋波