卡梅隆·格罗弗论文答辩

呼吸是一种有节奏的运动行为，通过推动血液和大气之间的气体交换来维持体内平衡。这种行为对所有陆生哺乳动物来说都是必不可少的。呼吸涉及两种截然不同但相互关联的节奏：吸气节奏，以秒为单位的正常呼吸节奏，以及叹息节奏，它产生以分钟为单位的大幅度呼吸，并维持肺功能。这两种行为都起源于一个特殊的神经区域，称为preBötzinger复合体（preBötC）。然而，它们产生的机制仍然是争论的主题。我们使用了一套利用转基因小鼠模型的实验来证伪一个长期存在的理论，即内在节律神经元在产生吸气节奏中是必不可少的。同时，我们开发了一个数学模型，该模型实例化了由于细胞内钙振荡而产生的叹息节奏。然后，我们通过使用尖峰模型对其组成神经元进行建模，研究了preBötC的底层网络结构。神经网络是由随机放电的神经元驱动的，但没有一个是有内在节奏的。首先，我们证明突触拓扑结构影响(1)网络表现出突发的能力，这是一种吸气节律发生的基础现象，(2)网络外源性触发网络兴奋的能力，以及(3)网络功能的鲁棒性。我们能够用我们的模型概括几个实验结果，并表明具有对数正态分布突触权重的Erdős-Rényi网络提供了最能代表实验结果的模拟结果。最后，我们在网络的组成神经元中实现细胞内钙振荡，以创建preBötC的第一个峰值模型，该模型可以产生突发事件和叹息。这个模型可以帮助解释呼吸系统疾病，如阿片类药物引起的呼吸抑制，并提供对其他大脑节律的见解。