脑系统的结构、功能和工作原理是现代神经科学有待解决的前沿课题。随着现代临床医疗手段和实验技术的不断发展，脑神经系统的电生理结构越来越清晰，但对其活动机制却知之甚少。大脑是一个高度复杂的神经网络动态系统，由数百亿个突触连接的数千亿个神经元组成。网络局部节点受损会导致癫痫等脑神经系统疾病。
▲大脑皮层主要由兴奋性神经元和抑制性神经元组成，类似于汽车的“油门”和“刹车”。一般情况下，两者会互相制衡，保持平衡状态。一旦“刹车”功能丧失或减弱，大脑皮层中的兴奋性和抑制性神经回路就会失衡，导致大脑放电异常，诱发癫痫发作。
目前全球约有7000万癫痫患者，而中国有近1000万。给癫痫患者及其家庭带来了沉重的经济和精神负担。虽然我国拥有庞大的癫痫临床数据库，但遗憾的是，目前对癫痫尤其是难治性癫痫的发病机制知之甚少，临床上也没有有效的治疗方法。我们在健康领域面临着重大挑战，因此研究癫痫性脑疾病的临床预防、诊断和治疗显得尤为迫切。
▲局灶性癫痫发作，脑电图异常节律仅限于几个通道。中间的蓝线表示根据临床分析癫痫发作开始的时间点。发作前信号分布不均匀，发作前半段放电节律变化明显。之后，放电节律的分布开始均匀，出现了均匀的同步振荡节律。
癫痫是一种中枢神经系统功能异常引起的顽固性神经系统疾病。由于癫痫性神经系统疾病种类繁多，临床表现复杂多变，了解该病发生发展的病理机制仍是神经科学领域的一个难题。要深入了解癫痫患者的脑活动机制，破译产生癫痫各种病理功能的神经回路的运行规律至关重要。然而，实验中记录的病理电活动是至少数百万个神经元的动态活动模式的病理表征。因此，癫痫脑疾病研究的关键是实现对神经元病理活动的实时观察，获取特定神经回路的结构和活动模式，基于癫痫临床大数据研究癫痫脑疾病病理功能的充分性和必要性，从而建立科学合理的时间空网络动力学理论模型，准确推断特定癫痫患者的病理生理特征，进而制定相应的。因此，构建癫痫数据驱动的统计建模与动态机制建模相结合的研究框架是一条很有潜力的途径。
▲局灶性癫痫的网络动力学建模:局灶性癫痫的网络动力学建模框架流程；模拟多灶性癫痫发作随时间演变
癫痫主要发生在大脑皮层。然而，组织病理学、电生理学和脑成像证实，大脑皮层和皮下结构中存在大量的突触联系，它们以不同的方式参与癫痫的全面和部分发作。癫痫发作时皮层与皮下结构相互作用的调节机制仍然是神经科学研究的焦点和热点。皮下结构主要是基底神经节、丘脑等核团，是锥体运动系统的重要组成部分。实验证明，皮层下丘脑和基底神经节分别在皮层癫痫发作中起驱动和调节作用。了解它们的驱动和调控机制，将为了解癫痫神经系统疾病的发病机制和设计临床可行的调控策略提供必要的理论依据和临床指导。
▲皮层-基底神经节-丘脑回路示意图:皮层包括兴奋性锥体神经元和抑制性中间神经元；基底神经节包括纹状体、内侧苍白球、外侧苍白球和丘脑底核。包括丘脑网状核和中继核；不同核之间的兴奋性连接用箭头表示，而抑制性连接用实线点表示。皮层、皮层-丘脑、皮层-基底节-丘脑回路用皮层-基底节-丘脑回路简化的示意图。其中+代表不同核中神经元之间的兴奋性和抑制性突触。
近年来，国内外神经动力学领域的学者开始关注特定神经系统疾病相关的非线性理论模型及其网络动力学行为等科学问题的研究，以深入认识神经系统疾病的动力学本质，寻求有效的非线性控制措施和治疗方案。近年来，北航空教授研究组在我国学者近30年神经动力学前沿研究成果的基础上，以癫痫脑功能网络的动态建模分析和癫痫发作控制为研究突破点，开始进入神经系统疾病的网络动力学研究领域。经过五年多的研究，课题组成员在癫痫动力学的建模、分析和控制方面取得了丰富而新颖的理论研究成果。
癫痫动力学与控制主要基于本课题组近五年来对癫痫的研究成果，同时也参考了大量国内外相关期刊论文和专著。本书注重内容的真实性、基础性、系统性和先进性。基于癫痫定性和定量的临床医学数据，在介观层次上建立癫痫的神经元群模型及其网络，从网络拓扑结构、突触连接强度、时滞、可塑性和刺激干扰因素等方面探索病态同步发作及其状态转换的动力学本质和相应的非线性动力学控制手段，为癫痫的临床防治提供重要的理论支持。
▲本书内容结构图
具体研究内容如下:
▍第一章:基础知识。首先，简要概述了癫痫网络研究的背景和意义。其次，给出了全身性发作和局部性发作的几种主要类型，并介绍了癫痫的生理解剖基础。然后给出了几种癫痫的非线性动力学模型，并简要分析了癫痫发作的动力学机制。同时介绍了癫痫的神经刺激调节策略和优化方案。最后，本文简要介绍了本书中癫痫网络控制策略设计所用到的网络可控性理论，以及通过癫痫脑电数据进行相位空重构的基础知识。
▲神经元群模型结构示意图
▍第二章:基于难治性局灶性癫痫患者的临床脑电图数据，首先，给出新的癫痫发作生物标志物，为理解癫痫发作机制提供新的见解。然后，利用因果理论构建癫痫定向发作网络，分析其复杂网络特征，提出一种新的确定癫痫灶和调控癫痫发作的机制。同时，利用神经簇模型对癫痫脑发作网络进行仿真验证。此外，癫痫发作伴随着病态信息流的传播。为了更准确地确定病态信息流的方向和强度，本章最后将给出一种准确识别癫痫病态信息流方向的统计分析方法，并对其进行理论验证。
▲将每个通道视为一个网络节点，基于不同网络节点间的因果关系分析和同步性分析，构建一个有向加权夺获效应网络。在癫痫脑电源系统中，假设10个通道的脑电信号为10个变量{x1，…，x10}。从初始状态开始，网络在扣押期间和扣押期间的状态可以通过控制达到任何期望的最终状态。这种控制是输入刺激扰动u =，u2，u3，u4)。针对不匹配节点的攻击周期计算。左边的网络表示各种程度的分布，节点大小表示网络的程度，黄色节点只表示网络的程度，箭头粗细表示因果关系。右图显示了所有匹配的路径，用粉色箭头依次连接，其他连接用浅灰色表示。
▍第三章:研究丘脑中继核刺激皮层癫痫失神发作和强直阵挛发作在皮层-丘脑环路中的传递动力学机制。首先，我们将考虑丘脑中继核和皮层锥体神经元的循环兴奋回路的机制，并分析皮层去抑制对失神发作的刺激作用。然后，考虑到丘脑中继核通过皮层前馈抑制环对癫痫失神发作的控制作用，综合分析了丘脑中继核调节皮层癫痫尤其是失神癫痫多棘慢波发射的动力学机制。
▲皮层-丘脑网络框架:皮层子系统由兴奋性锥体神经元簇和抑制性中间神经元簇组成；丘脑子系统由丘脑网状核和中继核组成。兴奋性投射由谷氨酸介导，用箭头表示，而抑制性投射由GABA受体介导，用圆头线表示。红线和蓝线分别代表皮层-丘脑回路的TC→IN→EX前馈抑制性神经回路中的抑制性和兴奋性通道
▍第四章:研究丘脑网状核诱发皮层癫痫发作的动力学机制。首先考虑丘脑网状核调控下刺激皮层诱发的癫痫失神发作和睡眠纺锤体的迁移。然后分析失神发作和睡眠纺锤波时间空演化对网络拓扑的依赖性，给出不同发作波形的多稳态共存机制。最后，引入刺激丘脑网状核对癫痫失神发作的起搏作用，分析刺激丘脑网状核对癫痫发作的作用及其时间空演变。
▲失神发作SWD吸引子、睡眠纺锤吸引子、极限环吸引子并存；不同稳定状态存在和转换的动力学分岔机制分析
▍第五章:分析皮层-丘脑环路延迟对癫痫自发发作和同步转移的动力学原理。具体来说，基于皮层-丘脑环路计算模型，通过引入丘脑内部以及丘脑与皮层之间的信息传递延迟，综合分析了不同时间延迟对癫痫自发发作和同步转移的影响机制。最后，给出了具有时滞的两个皮层-丘脑功能柱耦合模型的自适应反馈控制策略。
▲二室延迟耦合的皮层-丘脑网络动力学模型。p，I，T，R代表不同的神经元簇。Vxy，X，Y ∈{ P，I，T，R}为耦合强度。n决定了两室MCT之间的耦合强度。。vAtr和vBtr分别是GABAA和GABAB受体介导的偶联强度。DK，K ∈。4}是耦合延迟。实线和虚线箭头分别表示由谷氨酸AMPA和NMDA受体介导的兴奋性突触连接。具有圆形黄色头的实线和虚线分别表示由GABAA和GABAB受体介导的抑制投射。
第六章:研究基底节和皮层-丘脑回路的反馈抑制对癫痫失神发作的控制作用。具体来说，首先介绍了刺激基底神经节及其自突触动力学对癫痫失神发作的控制作用，分析了不同刺激方式对癫痫失神发作的双向调节策略。其次，受基底神经节调节的启发，研究了皮层-丘脑回路闭环刺激对癫痫发作的控制作用。最后，给出了刺激调节癫痫发作的动力学解释。
▲带2I:3O反馈调节器的皮质-丘脑回路简化平均场模型；不同刺激模式，包括m:n通断协同复位刺激模式；右侧m:n开关协同复位刺激模式的数值算法
▲基于丘脑底核平均放电率的闭环刺激策略，包括调节器、控制器和刺激器；不同刺激模式对棘慢波的控制效果和电流消耗直方图。开环和闭环3:2通断CRS刺激脉冲序列图；六种不同刺激模式和无刺激条件下有vsp的STN的AMFR变化
目前，中国不同学科的研究人员和年轻学者对神经动力学的研究越来越感兴趣。迄今为止，已经举行了许多关于神经动力学的学术会议和研讨会。然而，仍有许多刚进入科研领域的年轻学者或研究生对神经疾病动力学概念模糊，这或多或少限制了这些对神经疾病动力学感兴趣的年轻研究人员的研究热情。鉴于此，本书作为初学者的入门书籍，致力于神经科学、动力学和控制学科的交叉融合，试图提供一些关于癫痫性神经疾病的基础知识，以及一些关于非线性动力学的相关知识，试图使其快速熟悉并进入神经疾病动力学建模的科研工作。本书注重理论分析与实际应用的紧密结合，对癫痫神经系统疾病的临床数据给出了较多的统计分析和大量的模拟结果，便于读者理解。本书可供高年级本科生、研究生、教师和从事神经科学、非线性科学、信息与控制科学等的研究人员使用。，为他们提供癫痫神经系统疾病网络动力学建模所必需的基础知识和参考资料。
本文摘自《癫痫动力学与控制》一书中的“前言”和“第一章基础知识”，部分删节和标题由编者添加。
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