电磁辐射下忆阻小世界神经网络的同步动力学分析与调控

《Complex System Modeling and Simulation》：Synchronization in Memristive Small-World Neural Networks Under Electromagnetic Radiation

本研究针对电磁场环境中神经网络的同步行为调控难题，构建了基于四稳态离散忆阻器的Rulkov神经元小世界网络模型。通过数值仿真发现，忆阻器初始值可诱导网络呈现同步、异步及嵌合态共存现象，而电磁感应强度对同步性能具有双相调节作用（w<0.1时促进同步，w>0.1时抑制同步），同时增强电磁感应可提升神经元放电动作电位。该研究为理解电磁环境下脑功能疾病的神经机制提供了新视角。

　　

人脑作为生命活动的指挥中心，其认知、记忆和情感等生理功能都依赖于大脑中复杂的神经网络协同工作。科学家们发现，大脑神经元的连接模式具有典型的小世界特性——既存在局部高聚类又具备全局短路径，这种结构有利于信息的高效传递。然而，当神经网络同步出现异常时，可能引发帕金森病、癫痫、耳鸣等重大脑功能疾病。更复杂的是，神经元放电行为始终处于电磁场环境中，根据麦克斯韦电磁场理论，电场与磁场间的相互作用对神经元的放电过程具有重要影响。但传统的小世界网络研究往往忽略了电磁效应这一关键物理因素，这限制了我们对真实神经系统的理解。

为解决这一难题，欧阳佳鹏、吴亚莲等研究团队在《Complex System Modeling and Simulation》上发表的最新研究，创新性地将四稳态离散忆阻器引入小世界神经网络建模，首次系统揭示了电磁辐射环境下神经网络的同步动力学特性。

研究团队主要采用三类关键技术方法：首先利用满足李普希茨条件的四稳态离散忆阻器（其忆导函数W(φ(n))=φ(n)）模拟外部电磁场，通过正弦电压测试验证其具备忆阻器三大指纹特性；其次基于WS小世界网络构建规则（节点数N=100，近邻连接数K=4，重连概率p）建立Rulkov神经元网络拓扑；最后通过数值仿真结合同步参数s=?s(n)?量化分析网络动态，其中s(n)计算公式包含节点瞬时状态方差与均值运算，可精确表征网络同步程度。

多稳态忆阻器诱导的共存现象

当固定系统参数α=3、b=0.001、σ=-1、k=0.01、w=0.1时，改变忆阻器初始值会引发网络出现显著的多稳态共存行为。如图4所示，当忆阻器初始值为2时，网络呈现异步与同步共存的嵌合态；初始值为3时出现簇同步与异步共存的特殊嵌合态；而初始值为-3时则完全处于异步状态。这表明忆阻器的多稳态特性可作为有效调控网络动态的“开关”，为理解大脑在不同生理状态下的模式切换提供了数学模型支持。

电磁感应强度对同步的双相调节

通过系统调节电磁感应强度w发现，其对于网络同步具有非单调影响规律。当w<0.1时（图5），随着w从0.01增加至0.1，时空图中神经元放电的时空模式规律性逐渐增强，节点瞬时状态图的散点分布趋于集中，同步参数s从0.15降至0.05以下，说明适度增强电磁感应可促进网络同步。然而当w>0.1时（图6），w=0.15、0.18、0.2对应的同步参数s反弹至0.1以上，时空模式出现紊乱，表明过强的电磁辐射反而会破坏同步稳定性。图7的s-w曲线清晰展示了这种双相调节效应，临界点位于w=0.1附近。

电磁感应对神经元放电的增强作用

对比图5与图6的节点状态图可发现，当w=0.01时神经元动作电位幅值处于[-0.1,0.5]区间，而w=0.2时幅值扩大至[0.1,1.5]区间。这表明增强电磁感应不仅能调节网络层面的同步行为，还能显著提升单个神经元的放电强度，这为解释电磁辐射影响神经信息编码效率提供了理论依据。

该研究通过构建忆阻小世界神经网络(MSNN)模型，首次系统揭示了电磁场环境中神经网络同步的动态调控规律。研究发现的多稳态共存现象为理解大脑功能状态切换提供了新视角，而电磁感应强度的双相调节效应则提示实际应用中需精确控制电磁暴露参数。未来结合更真实的异质耦合网络模型，将进一步推动神经动力学与电磁生物效应的交叉研究，为脑疾病治疗和类脑计算提供理论基础。