哺乳动物生物钟在单细胞和多细胞水平上的动力学分析

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哺乳动物的主时钟位于视交叉上核神经元上,大约包含2万个内在周期不同的神经元振子.依据视交叉上核神经元不同区域产生不同的多肽神经元,在解剖学上将视交叉上核神经元分成腹外侧神经元和背内侧神经元.腹外侧神经元中生物钟基因的表达没有节律性,而背内侧神经元中生物钟基因的表达有节律性,腹外侧神经元与背内侧神经元通过神经递质进行耦合.并且耦合方式的拓扑结构会影响哺乳动物生物钟的周期和神经元振子间的同步行为.在已有的一些研究中讨论过可以用复杂网络的相关知识考虑耦合方式的拓扑结构,基于此,本文分析了神经元振子在四种不同耦合方式下的周期行为和同步行为.这四种耦合方式分别是All-to-All全连接网络、Newman-Watts(NW)小世界网络、Barab′asi-Albert(BA)无标度网络、Erd?os-Re′nyi(ER)随机网络.基于修改的Goodwin模型,本文分析了单细胞水平下哺乳动物生物钟动力学行为.并且发现最大生成速率影响着哺乳动物单个神经元振子的动力学行为.此外,本文还发现适当的光照强度不仅能够降低哺乳动物单个神经元振子发生振荡时最大生成速率的阈值,还能增大哺乳动物单个神经元振子周期与外界周期一致时,最大生成速率的取值范围.基于耦合的神经元振子模型,本文分析了多细胞水平下哺乳动物生物钟动力学行为.分析结果表明弱光照强度有利于弱耦合神经元振子间的同步,并且发现有光照时,神经元振子以NW小世界网络的生成方式进行耦合比通过All-to-All、BA、ER网络的生成方式进行耦合更容易发生同步.此外,本文还分析了光照时长对耦合神经元振子同步行为的影响.分析结果表明当神经元振子间的耦合方式和外界光照强度不变时,神经元振子在小于12h光照时长下的同步程度比在12h:12h光照时长和大于12h光照时长下的同步程度更高.为了使结果更具有一般性,我们对耦合方式的拓扑结构进行了分析.分析结果表明耦合方式的拓扑结构不改变这一结论.
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