神经回路中能量流与电流的分流

《Cognitive Neurodynamics》：Shunting energy flow and current in a neural circuit

　　

摘要

神经回路作为探索神经元工作机理的基本工具，其核心是离子通道介导的放电活动。然而，先前的研究表明，对离子通道在神经元电活动中的作用及其调控机制的探索仍显不足。离子通道不仅是产生和传导动作电位以及执行突触传递的基础，还直接影响神经信号的处理与传递。为了深入分析离子通道对神经元放电的精确影响，本研究构建了一个神经回路模型。在离子通道支路中引入了磁控忆阻器以增强离子通道的效应。同时，将一个电容器C₂与磁控忆阻器并联，以实现离子通道电流的分流效应。此外，通过将非线性电阻NR与电压源串联，有效地拓宽了刺激频带，并丰富了神经元的频率响应特性。数值仿真结果表明，通过直接调节离子通道的参数，该模型能够在神经元系统中诱发混沌放电与周期放电之间的分岔现象。其动态行为对参数调节范围表现出显著依赖性。在噪声影响方面，研究发现该系统能够在较低的噪声强度下实现相干共振（CR）。此外，我们设计了一种自适应能量控制方案，使神经元能够根据内部能量状态自发调节分流器件的参数λ，从而实现对神经元放电模式的精确控制。本研究的结果为理解和操纵离子通道在神经元信号处理中的作用提供了新的视角和理论基础。