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Mathematical modeling of depressive disorders: Circadian driving bistability and dynamical transitions

机译：抑郁障碍的数学建模：昼夜驾驶双稳态与动力转变

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摘要

The hypothalamus–pituitary–adrenal (HPA) axis is a key neuroendocrine system implicated in stress response, major depression disorder, and post-traumatic stress disorder. We present a new, compact dynamical systems model for the response of the HPA axis to external stimuli, representing stressors or therapeutic intervention, in the presence of a circadian input. Our work builds upon previous HPA axis models where hormonal dynamics are separated into slow and fast components. Several simplifications allow us to derive an effective model of two equations, similar to a multiplicative-input FitzHugh-Nagumo system, where two stable states, a healthy and a diseased one, arise. We analyze the effective model in the context of state transitions driven by external shocks to the hypothalamus, but also modulated by circadian rhythms. Our analyses provide mechanistic insight into the effects of the circadian cycle on input driven transitions of the HPA axis and suggest a circadian influence on exposure or cognitive behavioral therapy in depression, or post-traumatic stress disorder treatment.
机译：下丘脑 - 垂体 - 肾上腺（HPA）轴是一种关键的神经内分泌系统，涉及应力反应，重大抑郁症和创伤后应激障碍。我们为HPA轴的响应提供了一种新的紧凑型动力系统模型，在昼夜投入存在下，表示压力源或治疗性干预。我们的工作在以前的HPA轴模型上，其中荷尔蒙动态分离成慢速和快速的组件。几种简化允许我们推导出有效模型的两个方程式，类似于乘法输入Fitzhugh-Nagumo系统，其中两个稳定状态，健康和患病。我们分析了由外部冲击驱动到下丘脑驱动的国家过渡的有效模型，但也由昼夜节律调制。我们的分析提供了机械洞察昼夜节环循环对HPA轴的输入驱动过渡的影响，并提出了对抑郁症的暴露或认知行为治疗的昼夜影响，或创伤后应激障碍治疗。

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