Nonlinear Dynamics in Physiology pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Co Pte Ltd

作者:Mark Shelhamer

出品人:

页数:368

译者:

出版时间:2006-12-6

价格:GBP 91.75

装帧:Hardcover

isbn号码:9789812700292

丛书系列:

图书标签:

非线性动力学
生理学
复杂系统
生物物理学
数学建模
混沌理论
心脏生理学
神经科学
呼吸生理学
医学工程

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具体描述

This book provides a compilation of mathematical-computational tools that are used to analyze experimental data. The techniques presented are those that have been most widely and successfully applied to the analysis of physiological systems, and address issues such as randomness, determinism, dimension, and nonlinearity. In addition to bringing together the most useful methods, sufficient mathematical background is provided to enable non-specialists to understand and apply the computational techniques. Thus, the material will be useful to life-science investigators on several levels, from physiologists to bioengineer. Initial chapters present background material on dynamic systems, statistics, and linear system analysis. Each computational technique is demonstrated with examples drawn from physiolog, and one chapter is dedicated to oculomotor control applications. Throughout the text, historical notes give a sense of the development of the field and provide a perspective on how the techniques were developed and where they might lead. The overall approach is based largely on the analysis of trajectories in the state space, with emphasis on time-delay reconstruction of state-space trajectories. The goal of the book is to enable readers to apply these methods to their own research.

好的，这是一份关于一本名为《非线性动力学在生理学中的应用》的图书的详细简介，内容严格围绕该主题展开，并力求自然流畅： --- 图书名称：非线性动力学在生理学中的应用 (Nonlinear Dynamics in Physiology) 图书简介导言：从线性到复杂性的范式转变长期以来，生理学研究在很大程度上依赖于线性模型，这些模型在描述稳态和简单反馈回路方面取得了巨大成功。然而，生命系统固有的复杂性——包括其惊人的适应性、对微小扰动的敏感性以及周期性或混沌行为的展现——常常超越了线性方法的解释能力。本书《非线性动力学在生理学中的应用》正是在这一背景下应运而生，它系统地探讨了非线性动力学理论如何为理解生理过程的深层机制提供一个更具洞察力的框架。本书的核心目标是弥合纯粹数学理论与实际生物学观察之间的鸿沟。它不仅介绍了描述复杂系统行为所需的核心数学工具，更重要的是，展示了如何将这些工具应用于从细胞层面到器官系统乃至整个人体的广泛生理现象中。我们相信，只有采用非线性的视角，才能真正把握生命体维持稳态、应对环境变化以及产生病理状态的内在逻辑。第一部分：非线性动力学的数学基础与生理学工具箱本部分为读者构建理解后续复杂分析所需的理论基石。我们从系统动力学的基本概念出发，详细阐述了连续和离散时间系统中的相空间、轨迹、稳定性分析等基础要素。重点章节包括：非线性微分方程的解与定性分析：讨论了如何通过相平面分析（Phase Plane Analysis）来直观理解双稳态、极限环和奇点（不动点）的存在及其稳定性。这对于理解神经元兴奋阈值、激素分泌节律的产生机制至关重要。分岔理论（Bifurcation Theory）：这是理解系统从一种行为模式突变到另一种行为模式的关键工具。本书细致地分析了鞍结分岔、Hopf分岔等在生理学中的具体体现，例如，研究心肌细胞动作电位形态如何随外部刺激强度发生定性改变。降维模型与慢快分离：鉴于生物系统通常包含多个时间尺度的组件，本章介绍了如何通过缩减系统维度来简化复杂的动力学行为，突出关键的慢变量和快变量的作用，这在内分泌调节网络的分析中尤为重要。第二部分：节律性与同步：生命现象的周期性基础生理系统充满了周期性活动，从心跳、呼吸到昼夜节律。本部分着重探讨非线性振子理论如何解释这些现象的起源和维持。极限环振荡器：我们深入研究了具有自激现象的系统，如Hodgkin-Huxley模型简化后的FitzHugh-Nagumo模型，阐释了神经元和心肌细胞如何自发产生节律性兴奋。耦合振荡器与同步：生命系统中多个单元（如心脏起搏点、神经元群）必须协同工作。本书详细介绍了Kuramoto模型及其变体，用于分析不同生理单元之间的相互作用如何导致相位锁定（同步）或解耦。这对于理解心律失常、癫痫发作等集体行为的病理机制具有指导意义。相位响应曲线（PRC）：讨论了如何利用非线性系统特性来预测外部微小扰动对周期性过程（如生物钟）的长期影响。第三部分：复杂性、不确定性与混沌生理系统的鲁棒性与其对极端刺激的敏感性并存，这常常表现为混沌或亚混沌行为。本部分将焦点转向高维系统的复杂性。混沌现象的识别与度量：介绍了庞加莱截面、李雅普诺夫指数等工具，用于区分周期性、准周期性和真正的混沌行为。在分析脑电图（EEG）信号或心率变异性（HRV）时，这些指标提供了量化系统复杂性的客观标准。通往混沌的途径：重点分析了倍周期分岔（Period-Doubling Cascade）在某些生理失调过程中的潜在作用，例如，某些类型的代谢紊乱如何通过一系列分岔最终导致不可预测的行为。随机性与噪声在非线性系统中的角色：生物体内环境充满了随机性（噪声）。本章探讨了随机共振（Stochastic Resonance）现象，即在特定噪声水平下，原本微弱的信号反而能被系统更有效地检测和处理，这在感觉生理学中有着深刻的意义。第四部分：网络、适应与尺度效应现代生理学越来越关注系统间的相互连接性。本部分将非线性动力学框架扩展到网络结构层面。生物网络动力学：考察了由大量相互作用的组分构成的复杂网络，例如基因调控网络、代谢网络或神经连接组。我们分析了网络拓扑结构（如小世界网络、无标度网络）如何影响整体的动力学稳定性、信息传播速度和抗毁性。适应性动力学：讨论了系统如何通过改变其内在参数（如突触权重、受体密度）来适应环境变化，这涉及慢适应过程与快反应过程之间的非线性耦合。模型简化与跨尺度推断：总结了如何从微观的非线性机制推导出宏观可观测的集体行为特征，并讨论了在不同尺度上应用非线性方法的挑战与机遇。结论与展望《非线性动力学在生理学中的应用》不仅是一本理论手册，更是一份研究指南。它旨在武装生理学家和生物医学工程师，使其能够运用强大的非线性分析工具，揭示生命系统远超线性叠加原理的内在秩序与潜在的脆弱性。本书为深入理解疾病的早期信号、优化治疗干预的窗口期，以及设计更智能的生物医学设备提供了坚实的理论基础。