Self-organization in coupled excitable systems: interplay between multiple timescale dynamics and noise
Samoorganizacija u spregnutim ekscitabilnim sistemima: sadejstvo višestrukih vremenskih skala i šuma
Докторанд
Bačić, IvaМентор
Franović, IgorЧланови комисије
Spasojević, ĐorđeKnežević, Milan O.
Balaž, Antun
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
The dynamics of complex systems typically involves multiple spatial and temporal
scales, while emergent phenomena are often associated with critical transitions in which a
small parameter variation causes a sudden shift to a qualitatively different regime. In the
vicinity of such transitions, complex systems are highly sensitive to external perturbations,
potentially resulting in dynamical switching between different (meta)stable states. Such
behavior is typical for many biological systems consisting of coupled excitable units. In
neuronal systems, for instance, self-organization is influenced by the interplay between
noise from diverse sources and a multi-timescale structure arising from both local and
coupling dynamics.
The present thesis is devoted to several types of self-organized dynamics in coupled
stochastic excitable systems with multiple timescale dynamics. The excitable behavior of
single units is well understood, in terms of both the nonlinear threshold-like response to
ext...ernal perturbations and the characteristic non-monotonous response to noise, embodied
by different resonant phenomena. However, the excitable behavior of coupled systems, as
a new paradigm of emergent dynamics, involves a number of fundamental open problems,
including how interactions modify local dynamics resulting in excitable behavior at the level
of the coupled system, and how the interplay of multiscale dynamics and noise gives rise to
switching dynamics and resonant phenomena. This thesis comprises a systematic approach
to addressing these issues, consisting of three complementary lines of research.
In particular, within the first line of research, we have extended the notion of excitability
to coupled systems, considering the examples of a small motif of locally excitable units and
a population of stochastic neuronal maps. In the case of the motif, we have classified different types of excitable responses and, by applying elements of singular perturbation theory, identified what determines the motif’s threshold-like response. Regarding the neuronal
population, we have established the concept of macroscopic excitability whereby an entire
population of excitable units acts like an excitable element itself. To examine the stability
viiand bifurcations of the macroscopic excitability state, as well as the associated stimulusresponse relationship, we have derived the first effective mean-field model for the collective
dynamics of coupled stochastic maps.
Dinamika kompleksnih sistema se tipiˇcno odigrava na nekoliko prostornih i vremenskih skala, pri ˇcemu su emergentni fenomeni ˇcesto povezani sa kritiˇcnim prelazima, pri kojima mala promena vrednosti parametra izaziva naglu i kvalitativnu promenu dinamiˇckog
režima. U blizini takvih prelaza, kompleksni sistemi su vrlo osetljivi na eksterne peturbacije,
što može izazvati dinamiku alterniranja (switching) izmedu razliˇcitih (meta)stabilnih stanja. ¯
Takvo ponašanje je tipiˇcno za mnoštvo bioloških sistema saˇcinjenih od spregnutih ekscitabilnih jedinica, medu kojima su i neuronski sistemi, kod kojih na samoorganizaciju utiˇcu koe- ¯
fekti šuma iz raznolikih izvora i višestrukosti vremenskih skala koja potiˇce od lokalne dinamike i dinamike interakcija.
Ova disertacija je posve´cena prouˇcavanju nekoliko vrsta samoorganizuju´ce dinamike
u spregnutim stohastiˇckim ekscitabilnim sistemima sa dinamikom koja se odvija na
višestrukim vremenskim skalama (multiscale dinamika). Ekscitabilno pona...šanje pojedinaˇcnih jedinica je detaljno istraženo, kako u pogledu nelinearnog pragovskog (threshold-like)
odgovora na eksterne perturbacije, tako i u pogledu karakteristiˇcnog nemonotonog odgovora na šum, manifestovanog kroz razne rezonantne fenomene. Medutim, pri razmatranju ¯
ekscitabilnog ponašanja spregnutih sistema kao nove paradigme emergentne dinamike,
na fundamentalnom nivou postoje brojna otvorena pitanja, ukljuˇcuju´ci kako interakcije
modifikuju lokalnu dinamiku rezultuju´ci ekscitabilnoš´cu na nivou spregnutog sistema, kao
i kako sadejstvo multiscale dinamike i šuma dovodi do switching-a i rezonantnih fenomena. U ovoj disertaciji, saˇcinjenoj od tri komplementarne linije istraživanja, sistematiˇcno
pristupamo traženju odgovora na navedena pitanja.
U sklopu prve linije istraživanja, proširili smo koncept ekscitabilnosti na spregnute sisteme, razmatraju´ci primere malog motiva saˇcinjenog od lokalno ekscitabilnih jedinica i populacije stohastiˇckih neuronskih mapa. U sluˇcaju motiva, klasifikovali smo razliˇcite vrste
ekscitabilnih odgovora i pokazali šta odreduje pragovsko ponašanje, primenivši elemente ¯
teorije singularnih perturbacija. U sluˇcaju populacije, uveli smo koncept makroskopske
ixekscitabilnosti pri kojoj se cela populacija ekscitabilnih jedinica ponaša kao ekscitabilni element. Kako bismo ispitali stabilnost i bifurkacije stanja makroskopske ekscitabilnosti, kao i
odgovor sistema na perturbaciju, izveli smo prvi efektivni model srednjeg polja (mean-field)
za kolektivnu dinamiku spregnutih stohastičkih mapa.
Факултет:
Универзитет у Београду, Физички факултетДатум одбране:
27-11-2020Пројекти:
Кључне речи:
excitability / ekscitabilnost / šum / dinamika na višestrukim vremenskim skalama / switching dinamika / rezonantni fenomeni / noise / multiscale dynamics / macroscopic excitability / switching dynamics / resonant excitability / noise / multiscale dynamics / macroscopic excitability / switching dynamics / resonant phenomenaphenomena / makroskopska ekscitabilnostRelated items
Showing items related by title, author, creator and subject.
-
Collective dynamics and self-organisation of stochastic neuronal systems influenced by synaptic time delay / Kolektivna dinamika i samoorganizacija stohastičkih neuronskih sistema pod uticajem sinaptičkog kašnjenja.
Franović, Igor T. (Универзитет у Београду, Физички факултет, 17-12-2013) -
Dinamičko ponašanje obradnih sistema za mikroobradu / Dynamic behavior of micromachining systems
Mlađenović, Cvijetin (Универзитет у Новом Саду, Факултет техничких наука, 30-09-2020) -
Uticajni parametri na dinamičko ponašanje noseće konstrukcije portalnih dizalica velikih nosivosti / Parameters influencing the dynamic behaviour of the carrying structure of portal cranes of large capacity
Vasiljević, Rade (Универзитет у Крагујевцу, Факултет за машинство и грађевинарство, Краљево, 17-02-2017)