神经科学是探究神经元活动与行为之间因果关系的学科,通过刺激神经元及网络得到期望输出特性是研究的核心之一。由于神经系统具有高度的非线性特性,相同的刺激可能会产生不同的输出,而不同的刺激可能会产生相同的输出,因此,获得神经元及网络的期望输出特性十分困难。先进的神经记录手段可以获得大量的神经数据,但解剖结构未知,无法得到神经元及网络的精确“刺激-响应”关系。此外,神经元及网络输出特性的异常变化会使神经系统功能失调,导致癫痫、帕金森等各种神经系统疾病的发生。电磁刺激是临床上治疗神经系统疾病的主要方法之一,其开环的刺激方式无法根据患者的临床状态及个体差异性调整刺激参数,会对神经电活动产生副作用并影响治疗效果。针对上述问题,本文以单神经元、神经元网络及神经集群的多层面计算模型作为连接神经数据与解剖结构的桥梁,从控制理论的角度出发,提取刻画输出行为的生物标记,构建闭环系统,尝试使用控制方法实时调整刺激参数,获得期望的输出特性,实现对神经元网络特性的精准化、个性化的控制。本文的研究内容主要包括:(1)单神经元输出特性的控制:单神经元是神经系统的基本组成单元,其输出特性影响网络特性,进而影响神经系统的功能。本文选取放电峰峰间期(interspike intervals,ISI)刻画单神经元的放电频率、放电模式等不同特性,基于电压和动态钳位的思想提出ISI钳位的概念;构建闭环系统得到单神经元的期望ISI特性,实现神经元活动的重建;并采用无迹卡尔曼滤波器估计特定ISI钳位时钾、钠及氯等离子通道的相关特性,分析神经元离子通道变化对放电特性的影响,模拟癫痫、帕金森在单神经元层面的放电活动。(2)神经元网络输出特性的控制:最小中枢模式发生器(central pattern generator,CPG)网络是实现睡眠、呼吸、运动及消化等不同节律的最小网络单元,控制其输出特性有助于理解网络节律的产生机制及功能。本文采用具有丰富输出特性及形态特征的经典神经元两室模型构成最小CPG网络,提取放电规则度刻画网络的输出特性,分析神经元参数及连接特性的变化对网络输出特性的影响,构建闭环系统实现不规则放电节律的控制,得到期望的输出特性以及网络节律与参数的关系,模拟癫痫、帕金森相关节律。(3)神经元网络异常特性-癫痫样放电的控制:根据临床状态变化及电生理信号特征调节电磁刺激参数能够实现个性化治疗。癫痫状态下,神经集群产生异常节律放电,本文采用节律振荡特征刻画癫痫状态,构建闭环系统,采用自适应模糊控制算法实现癫痫样放电的实时、个性化的控制,为解决生理实验中无法获得表征个体差异性及疾病状态的精确模型的问题提供了一个可行的解决方案。仿真结果证明了闭环控制的有效性。(4)神经元网络异常特性-帕金森节律的控制:电磁刺激目标靶点的选取严重影响其治疗效果,本文根据帕金森的致病机理和临床特征,构建PD病灶区的计算模型,设计闭环系统,选取外侧苍白球作为刺激靶点,以其局部场电位作为反馈变量调节刺激信号实现帕金森节律的控制。该研究表明了外侧苍白球可以作为电磁刺激的新靶点。本文的研究为探索基本的电生理问题,开发新的疾病症状及康复疗法提供了新思路。