睡眠 - 觉醒动力学的数学模型：双过程模型与相互抑制神经元模型的比较
神经元与认知
2015-06-17 v3
摘要
睡眠对于维持大脑和身体至关重要，然而睡眠的许多特征尚不清楚，而数学模型是探究所提出的生物机制的重要工具。最著名的睡眠调节数学模型是双过程模型，该模型通过两个振荡器来模拟睡眠 - 觉醒周期：一个昼夜节律振荡器和一个稳态振荡器。另一种较新的模型则考虑了促进睡眠的神经元与受稳态和昼夜节律过程调控的上行觉醒系统之间的相互抑制。在此，我们展示了这两个模型之间存在根本性的相似之处。其含义通过两个重要的睡眠 - 觉醒现象加以说明。首先，我们表明在双过程模型中，每日睡眠片段数量的不同转变发生在擦边分岔（grazing bifurcations）处。这为数值结果提供了理论基础，表明许多哺乳动物的睡眠模式可以用相互抑制模型来解释。其次，我们表明当睡眠剥夺扰乱睡眠 - 觉醒周期时，两个模型中看似不同的嗜睡度量是密切相关的。展示这两个模型的数学相似性具有价值，因为它不仅允许对双过程模型的一些特征进行生理学解释，还意味着从双过程模型研究中获得的知识可用于增进对相互抑制模型的理解。这一点很重要，因为相互抑制模型及其扩展正日益被用作理解各种睡眠 - 觉醒现象（如最优轮班模式的设计）的工具，然而该模型在与昼夜节律和稳态过程相关的参数取值上，与在双过程模型背景下实验测得的值存在很大差异。
引用
@article{arxiv.1311.1734,
title = {Mathematical models for sleep-wake dynamics: comparison of the two-process model and a mutual inhibition neuronal model},
author = {Anne C. Skeldon and Derk-Jan Dijk and Gianne Derks},
journal= {arXiv preprint arXiv:1311.1734},
year = {2015}
}