蟑蟈 locomotion 中的节律生成、鲁棒性与控制：建模与分析

蟑蟈的步态模式已被研究以获得关于 locomotor 节律生成和控制的见解，因为其神经系统在实验中相对可及且产生多样化的节律输出。针对蟑蟈步态生成中涉及神经元单元之间有效相互作用的实验识别，先前的研究提出了计算模型来模拟蟑蟈 locomotor 活动的某些方面。虽然这些模型能够产生多样化的步态模式以及它们之间的转换，但尚无对其动力学机制进行深入分析。在本研究中，我们关注于建模与蟑蟈中六肢（中胫部）关节的 protraction-retraction、levitation-depression 和 extension-flexion 反生肌对相关神经元的节律生成。我们的模型 features 每个关节的简化中央模式发生器 (CPG) 电路，并包括 CPG 之间的突触相互作用；我们也考虑诸如包括由 CPG 组件控制的运动神经元池的扩展。 resulting network 由 18 维的常微分方程组描述。我们使用快速-慢分解、投影到相互相位平面以及大量依赖于输入的零截面来分析该模型。具体而言，我们识别并阐明了能够在三关节蟑蟈肢体模型中产生步态节律、并受生物学约束相位关系序列的动态机制。此外，我们解释了这些模式对参数变化的鲁棒性和可调性。具体而言，该模型使我们能够识别神经调制和顶下效应如何调节步态模式输出频率的可能机制。