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神经系统的非线性动力学分析与控制

作　者: 李会艳
导　师: 郑丕谔
学　校: 天津大学
专　业: 管理科学与工程
关键词: 神经元 HH模型 分岔 渐近分析 放电模式 混沌同步 模糊控制
分类号: O231.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要


神经系统是复杂的非线性系统,本文从非线性角度研究其丰富的特性。HH模型采用四阶非线性微分方程组的形式,定量描述了细胞跨膜电压与离子电流的变化过程,并准确反映了实验现象。本文以HHM模型为研究对象,选取漏电导和钠离子通道反电动势作为分岔参数,采用高维方程的代数判据进行多参数分岔分析。证明了当漏电导和钠离子通道反电动势变化时,HHM模型将产生动态Hopf分岔,即细胞膜受刺激后产生连续的动作电位,这符合医学实验中观察到的病变现象。通过对外电场下改进HH模型的多参数分岔分析,证明外电场参数的变化将引发模型的分岔,这可能是电磁辐射致病的原因。类似HH模型的高阶非线性系统,具有丰富的物理意义,但很难得到其解析解;并且数值分析十分复杂,渐近方法为解决这一问题提供了一种途径。本文利用Tikhonov渐进系统理论及Zeeman模型的分析方法,研究了改进HH模型的渐近特性,证明了HH模型仍具有可兴奋等复杂特性。本文从峰峰时间间隔,研究改进HH模型在极低频外加电场作用下神经元的放电模式。通过数值仿真,出现了神经元的周期n放电、快/慢簇放电、“调幅调制”放电、“多正弦调制”放电、混沌放电等多种放电模式;及一种神经元通往混沌放电的路径——音叉分岔;通过对外电场作用下的HH模型引入不同的时间常数,将其四阶非线性系统按照快慢系统分析,得到在hopf分岔点附近出现的一种特殊峰放电模式——慢峰放电模式,证实这种模式是混沌放电。基于功能电刺激的思想,本文使用自适应模糊控制实现对神经元HH模型和FHN模型的混沌同步控制,这种方法综合了自适应控制和模糊控制的优点,实现未知非线性部分和干扰的逼近。仿真结果证实了方法的有效性。基于计算机数字控制技术,本文使用离散变论域模糊控制理论实现离散混沌系统的控制。这一方法避免了采用传统的T-S模糊模型需要在线调节全部的后件参数等缺点。本文使用的控制算法通过在线调节伸缩因子一个参数实现连续变换论域,动态调节模糊规则,提高了控制性能,仿真结果实现了Lorenz混沌系统的控制。本文对针刺获得的神经系统的电信号利用连续小波变换、离散小波变换、功率谱和非线性动力学等理论对针灸信号进行全面的分析,证明不同手法具有不同的量化特征,为针刺电信息的量化研究进行初步尝试。

全文目录


中文摘要  2-3
ABSTRACT  3-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 引言  10-11
  1.2 研究背景  11-13
  1.3 研究思路  13-15
  1.4 本文的成果与创新点  15-17
  1.5 本文的结构  17-18
第二章 文献综述  18-34
  2.1 可兴奋细胞模型  18-21
  2.2 非线性动力学分析  21-30
  2.3 混沌及混沌同步与控制  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章 外电场作用下HH 模型的分岔分析  34-49
  3.1 HHM 模型概述  34-35
  3.2 HHM 模型单参数分岔分析  35-40
  3.3 HHM 模型的双参数Hopf 分岔分析  40-43
  3.4 HHM 模型的多参数Hopf 分岔分析  43-48
  3.5 本章小结  48-49
第四章 外电场作用下HH 模型渐近特性分析  49-67
  4.1 Tikhonov 的渐进系统理论  49-51
  4.2 Zeeman 心脏模型  51-54
  4.3 外加电场刺激下的HH 模型的渐近特性  54-66
  4.4 本章小结  66-67
第五章 外电场作用下神经元放电模式分析  67-97
  5.1 放电模式分类  67-69
  5.2 神经元放电模式研究  69-86
  5.3 神经元慢峰放电模式  86-95
  5.4 本章小结  95-97
第六章 神经系统混沌同步的模糊自适应控制  97-133
  6.1 混沌系统的同步控制  97-100
  6.2 FHN 模型和HH 模型  100-103
  6.3 自适应模糊控制器  103-111
  6.4 FHN 同步控制  111-116
  6.5 HH 系统同步控制  116-119
  6.6 离散变论域模糊控制混沌系统  119-132
  6.7 本章小结  132-133
第七章 针刺信号的非线性动力学分析  133-146
  7.1 引言  133
  7.2 针刺信号的分析  133-142
  7.3 非线性动力学分析  142-145
  7.4 本章小结  145-146
总结  146-149
  1.结论  146-147
  2.进一步的研究  147-149
参考文献  149-162
博士期间发表的论文及科研工作  162-163
致谢  163

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中图分类: > 数理科学和化学 > 数学 > 控制论、信息论（数学理论） > 控制论（控制论的数学理论） > 非线性控制系统
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