Almost periodic solutions of retarded SICNNs with functional response on piecewise constant argument

We consider a new model for shunting inhibitory cellular neural networks, retarded functional differential equations with piecewise constant argument. The existence and exponential stability of almost periodic solutions are investigated. An illustrative example is provided.Comment: 24 pages, 1 figur

Multiscale motion and deformation of bumps in stochastic neural fields with dynamic connectivity

The distinct timescales of synaptic plasticity and neural activity dynamics play an important role in the brain's learning and memory systems. Activity-dependent plasticity reshapes neural circuit architecture, determining spontaneous and stimulus-encoding spatiotemporal patterns of neural activity. Neural activity bumps maintain short term memories of continuous parameter values, emerging in spatially-organized models with short term excitation and long-range inhibition. Previously, we demonstrated nonlinear Langevin equations derived using an interface method accurately describe the dynamics of bumps in continuum neural fields with separate excitatory/inhibitory populations. Here we extend this analysis to incorporate effects of slow short term plasticity that modifies connectivity described by an integral kernel. Linear stability analysis adapted to these piecewise smooth models with Heaviside firing rates further indicate how plasticity shapes bumps' local dynamics. Facilitation (depression), which strengthens (weakens) synaptic connectivity originating from active neurons, tends to increase (decrease) stability of bumps when acting on excitatory synapses. The relationship is inverted when plasticity acts on inhibitory synapses. Multiscale approximations of the stochastic dynamics of bumps perturbed by weak noise reveal the plasticity variables evolve to slowly diffusing and blurred versions of that arising in the stationary solution. Nonlinear Langevin equations associated with bump positions or interfaces coupled to slowly evolving projections of plasticity variables accurately describe the wandering of bumps underpinned by these smoothed synaptic efficacy profiles.Comment: 19 pages, 11 figure

A Thoracic Mechanism of Mild Traumatic Brain Injury Due to Blast Pressure Waves

The mechanisms by which blast pressure waves cause mild to moderate traumatic brain injury (mTBI) are an open question. Possibilities include acceleration of the head, direct passage of the blast wave via the cranium, and propagation of the blast wave to the brain via a thoracic mechanism. The hypothesis that the blast pressure wave reaches the brain via a thoracic mechanism is considered in light of ballistic and blast pressure wave research. Ballistic pressure waves, caused by penetrating ballistic projectiles or ballistic impacts to body armor, can only reach the brain via an internal mechanism and have been shown to cause cerebral effects. Similar effects have been documented when a blast pressure wave has been applied to the whole body or focused on the thorax in animal models. While vagotomy reduces apnea and bradycardia due to ballistic or blast pressure waves, it does not eliminate neural damage in the brain, suggesting that the pressure wave directly affects the brain cells via a thoracic mechanism. An experiment is proposed which isolates the thoracic mechanism from cranial mechanisms of mTBI due to blast wave exposure. Results have implications for evaluating risk of mTBI due to blast exposure and for developing effective protection

Actomyosin Pulsing in Tissue Integrity Maintenance during Morphogenesis

The actomyosin cytoskeleton is responsible for many changes in cell and tissue shape. For a long time, the actomyosin cytoskeleton has been known to exhibit dynamic contractile behavior. Recently, discrete actomyosin assembly/disassembly cycles have also been observed in cells. These so-called actomyosin pulses have been observed in a variety of contexts, including cell polarization and division, and in epithelia, where they occur during tissue contraction, folding, and extension. In epithelia, evidence suggests that actomyosin pulsing, and more generally, actomyosin turnover, is required to maintain tissue integrity during contractile processes. This review explores possible functions for pulsing in the many instances during which pulsing has been observed, and also highlights proposed molecular mechanisms that drive pulsing

Feedback Control as a Framework for Understanding Tradeoffs in Biology

Control theory arose from a need to control synthetic systems. From regulating steam engines to tuning radios to devices capable of autonomous movement, it provided a formal mathematical basis for understanding the role of feedback in the stability (or change) of dynamical systems. It provides a framework for understanding any system with feedback regulation, including biological ones such as regulatory gene networks, cellular metabolic systems, sensorimotor dynamics of moving animals, and even ecological or evolutionary dynamics of organisms and populations. Here we focus on four case studies of the sensorimotor dynamics of animals, each of which involves the application of principles from control theory to probe stability and feedback in an organism's response to perturbations. We use examples from aquatic (electric fish station keeping and jamming avoidance), terrestrial (cockroach wall following) and aerial environments (flight control in moths) to highlight how one can use control theory to understand how feedback mechanisms interact with the physical dynamics of animals to determine their stability and response to sensory inputs and perturbations. Each case study is cast as a control problem with sensory input, neural processing, and motor dynamics, the output of which feeds back to the sensory inputs. Collectively, the interaction of these systems in a closed loop determines the behavior of the entire system.Comment: Submitted to Integr Comp Bio

Implementations Of Novel Cellular Nonlinear And Cellular Logic Networks And Their Applications

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Bu tez, doğrusal olmayan sistemler ailesinden gevşemeli osilatörler, lojik osilatörler, zaman gecikmeli kaotik osilatörler; bu sistemlerden kurulan ağlar, bunların elektronik gerçeklemeleri ve uygulama alanlarında katkılar sunmaktadır. Tez, iki hipotezi tartışır. Tezde, doğrusal olmayan dalga yayılımı için ortam olan iki boyutlu hücresel doğrusal olmayan ağlar, iki boyutlu hareket planlama problemlerinde hedefin gelecekteki durumlarını öngörmeye yarayan öznitelikler ürettiği gösterilmiştir. Ayrıca, zaman gecikmeli sistemlerde kullanılan, ürettiği ikili sembol dizileri gerçek rastgele bit dizisi olan, en az bir tane iki seviyeli çıkış veren geribesleme fonksiyonu vardır. İki hipotezli bu doktora çalışmasında, hücresel gevşemeli osilatör ağ uygulamaları ve zaman-gecikmeli kaotik osilatör gerçeklemeleri ağırlıklı araştırma sahaları olmuştur. Elde edilen çıktıların çoğu bu iki başlık altında toplanmıştır ve iki hipotez test edilmiştir. Gevşemeli osilatörler ile ilişkili çalışmalar doktora başlangıcından sonuna kadar geçen süreye yayılmıştır. Başlangıçta hedeflenen yeni bir hücresel gevşemeli osilatör ağ modeline başarıyla ulaşılmıştır. Zaman gecikmeli kaotik sistemler ile ilişkili çalışmalar ise tez çalışmalarına sonradan dahil olmuş, sürenin orta ve son kısmında yoğun olarak yürütülmüştür. Özetin devamında, tezin yazım organizasyonuna göre ana bölümler ve alt bölümler kısaca anlatılacak ve aralarındaki ilişki sunulacaktır. Giriş bölümünü takip eden ilk bölüm olan 'Hücreler' bölümünde beş osilatör modeli sunulmaktadır. İlk osilatör (Osilatör 1) çalışmalara referans olan gevşemeli osilatördür ve modelinde bir parça parça doğrusal fonksiyon bulunmaktadır. Bu fonksiyon, iki mutlak değer fonksiyonu ile gerçekleştirilebilir. Osilatör 2, yeni bir gevşemeli osilatör modelidir ve bu doktoranın orjinal önermelerindendir. Model yalnızca bir tane işaret (signum) fonksiyonu barındırır. Osilatör 3 ise lojik osilatör olmakla birlikte, Osilatör 1 ve 2'ye ait dinamik davranışın taklidini yapmaktadır. Kısaca, gevşemeli osilatörde mevcut iki durum deği ̧skeninin birbirine yakın (tepe) değerlerde bulunduğu, biri pozitif diğeri negatif iki tepe durum, ve bunlar arasında farklı yörüngeler üzerinden gerçekle ̧sen iki geçi ̧s durumu, Osilatör 3'teki dört durum ile modellenmi ̧stir. Lojik osilatörün, gev ̧semeli osilatöre davranı ̧ssal olarak benzetilerek sentezlenmesi tezin literatüre katkılarındandır. Osilatör 4 ise yeni bir zaman gecikmeli kaotik sistemi, önerdiği iki seviyeli çıkış veren bir doğrusal olmayan fonksiyon ile sunar. Modelinde bulunan doğrusal olmayan fonksiyonun seviye sayısı sistematik şekilde arttırılarak çok sarmallı çekici üreten kaotik model elde edilmiştir. Osilatör 5 olarak anılacak olan bu modelde doğrusal olmayan fonksiyonun genelleştirilmesi verilir. Yeni önerilen doğrusal olmayan foksiyonları ile hem Osilatör 4 modeli hem de Osilatör 5 modeli tezin literatüre katkılarındandır. Üçüncü ana bölüm olan 'Ağlar'da, beş osilatörden ilk dördü kullanılmakta ve farklı iki tip ağ kurulmaktadır. Osilatör 1, 2 ve 3 ile hücresel doğrusal olmayan ağlar oluşturulmuş, Ağ 1, 2 ve 3 isimleri verilmiştir. Dördüncü osilatör (kaotik zaman gecikmeli osilatör) ile farklı bir tip ağ kurulmuştur. Ağ 1 referans modeldir ve tezde bilgilendirme amacıyla bulunur. Her üç ağ üzerinde, doğrusal olmayan dalgalardan, otodalga ve yürüyen dalganın üretilmesi ve yayılması gösterilmiştir. Ağ 2 ve Ağ 3 için otodalga ve yürüyen dalgaları üreten bağlantı kuralları ve parametreler tezde önerilen yeniliklerdendir. Üç ağda aranan ilerleme, ardı ardına ve lokasyonu değişen kaynak ile üretilen yürüyen dalgaların, 2 boyutlu uzayda iç içe geçmiş ve Doppler Etkisini ortaya çıkarmış dalga çeperleri oluşturmasıdır. Çalışmalarda üç ağda da Doppler Etkisinin gözlenmesi başarılmıştır. Ağların hücreleri otonom osilasyon yapan dinamikte iken otodalga yayılmakta, tezde açıklanan kurallar ile çift kararlı (bistable) dinamiğe sahip kılındıklarında ise yürüyen dalga yayılabilmektedir. Ağ 1, 2 ve 3, beş farklı metrik ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma esnasında hücreler çift kararlı davranışa ayarlanmış, yürüyen dalga yayılmıştır. Metrik 1, dalga çeperi geçiş periyodu olan d büyüklüğünün çözünürlüğüdür. Ağ 3 neredeyse 2 değere nicelenmiş d üretebilir, Ağ 2 dört farklı değerde, Ağ 1 çok daha fazla değerde d üretebilir. Tez, Doppler Etkisinin sonucu olarak kaynak hareketi ile ilişkilenen d değişkeninin analizini uygulama kısmında kullanır. Dolayısıyla, d'nin niceleme seviyesindeki fazlalık, analiz işleminde sonuçların keskinliğini etkiler. Metrik 2 elektronik gerçekleme karmaşıklığıdır. Ağ 3'ün lojik devre olması sebebiyle, modele uygun gerçekleme az sayıda transistor ile mümkündür. Ağ 1 ve 2 ise sürekli zamanlı modellere sahip olduğundan analog devre olarak gerçeklenebilir. Modele uygun, yüksek doğrulukta çalışacak, gerçeklemenin karşılaştırıcı, toplayıcı, integre edici, kuvvetlendirici, çoklayıcı gibi bileşenleri çok sayıda transistor gerektirir. Ağ 1 gerçeklemesi, daha karmaşık olan doğrusal olmayan fonksiyonu sebebi ile Ağ 2 gerçeklemesinden karmaşık olacaktır. Metrik 3 uzaysal-zamansal çalışma bölgesinde ağ üzerinde yayılan dalga çeperlerinin yayılma hızıdır. Sürekli zaman modelli Ağ 1 ve Ağ 2'de hız saniye birim zamanda değerlendirilirken, ayrık zamanlı Ağ 3'te hız iterasyon adımına göre değerlendirilmektedir. Ancak, modellerin sayısal yöntemler ile çözümü, her üçünü de ayrık zamanlı ve karşılaştırılabilir hale getirir. Buna göre Ağ 3 en hızlı dalga yayılan ağdır. Ağ 2'de de Ağ 1'e göre daha hızlı dalga yayılır. Metrik 4, ağdaki hücrelerin (1 ve 2'de) eyer noktaları arasındaki hareketlerinde geçen süre ve (3'te) tepe durumlar arasındaki hareketlerinde geçen süredir. Metrik 3'teki gibi, yeni durumuna en hızlı yerleşen hücreler Ağ 3'tekiler, daha yavaş yerleşenler Ağ 2'dekiler, ve en yavaş yerleşenler Ağ 1'dekilerdir. Yerleşme hızı, giriş işareti ile yeni dalga yaratma sıklığını üstten sınırlandıran bir büyüklük olarak değerlendirilmelidir. Yayılan dalga çeperlerinin eğriliği Metrik 5'tir. Ağ 3'te yayılan yürüyen dalga ve otodalga çeperleri dörtgen şeklindedir. Ağ 2'te otodalgalar dörtgen şekilde yayılırken, yürüyen dalga için parametre araştırmasında, uygulanan bir ofset ile sistem dinamiği sekizgen dalga çeperi üretecek hale getirilmiştir. Ağ 1 çember şekle sahip dalga formları yayabilmesi sayesinde diğer ikisine göre uygulamalarda avantajlı konuma gelmektedir. Ağlar ana bölümünün içerdiği son ağ bir boyutlu, tek yönlü bağlantıya sahip zaman gecikmeli hücrelerden kurulu ağdır. Bu ağ, kaotik osilatörler arasında sezgisel (anticipating) senkronizasyonun kurulabildiğini göstermektedir. Takip eden ana bölümde Hücreler ve Ağlar bölümünden modellerin bir kısmının gerçeklemesi için yapılan çalışmalar sunulmaktadır. Ağ 1'in ileri Euler metodu ile ayrıklaştırılmış hali sayısal sistem olarak tasarlanmış ve seçilen Sahada Programlanabilir Kapı Dizisi (Field Programmable Gate Array, FPGA) üzerinde gerçeklenmiştir. Yapılan gerçeklemede, 2008'de gerçeklenen kayan nokta sayı formatıyla çalışan aritmetik devreler yerine sabit nokta aritmetiği kullanılmıştır. Devrenin çalışma performansı ve FPGA üzerinde kapladığı alan açısından referans tasarım ile karşılaştırması sunulmuştur. Ayrıca, Grafik İşleme Birimi (Graphics Processing Unit, GPU) üzerinde yine Ağ 1 modeline ilişkin benzetim sonuçları elde edilmiştir ve gerek Merkezi İşlem Birimi (Central Processing Unit, CPU) üzerinde çalışan benzetimlerden, gerek FPGA gerçeklemelerinden daha yüksek performans elde edilmiştir. Ağ 3'ün gerçeklemesi FPGA'larda var olan ve günümüzde hala geliştirilmekte olan bir özelliğin ağ gerçeklemesine katkısı incelenerek yapılmıştır. Dinamik Kısmi Yeniden Yapılandırma (Dynamic Partial Reconfiguration, DPR) adlı bu özellik, ile sayısal devrenin bir kısmı çalışırken diğer bir kısmı değiştirilebilir. Bu özellik, Ağ 3'ün bazı hücrelerinin çalışma esnasında değiştirilmesi sağlanacak şekilde kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, FPGA alanından tasarruf sağlanmış fakat öte yandan yalnızca özelliğin aktif tutulmasını sağlayan ek alan tüketimi sorunu da tespit edilmiştir. Bu doktora çalışmasındaki elektronik gerçeklemelerin çoğunluğu zaman gecikmeli sistemler (Osilatör 4, 5) ve ağları (Ağ 4) için yapılmıştır. İki seviyeli doğrusal olmayan fonksiyonla önerilen yeni modelin en büyük avantajı gecikme hattının gerçeklenmesinde görülür. Sayısal devre elemanlarından DEĞİL kapısı (evirici tampon, inverting buffer) ve tutucular, özellikle D tipi tutucu (flip-flop) ile ikili işaretler geciktirilebilir. Senkron tutucular ile yapılan gerçeklemede örneklemeli (sampled-data) sistem modeli kullanılması uygun olur. Bu ana başlık altında anlatılan gerçeklemenin ilki hem DEĞİL kapısı gibi asenkron cevap verebilen (saat işaretsiz) hem de tutucu dizisi kadar uzun gecikme süresi sağlayabilen bir gecikme hattı yapı taşıdır. Tezde, Asenkron Gecikme Çiftleyici (Asynchronous Delay Doubler, ADD) adı verilen bu yeni devre ile iç içe kullanım sayesinde üstel artan gecikme süreleri elde edilebilmiş, bu sayede zaman sabiti büyük olan ayrık analog integrator devrenin ihtiyaç duyduğu uzun gecikme sağlanabilmiştir. Osilatör 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; analog integrator, ADD gecikme hattı gerçeklemesi; sayısal integrator, DEĞİL kapısı gecikme hattı gerçeklemesi aynı ana bölümde alt bölümler olarak sunulmaktadır. Bunları Osilatör 5'in analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi; Ağ 4'ün analog integrator, D tipi tutucu gecikme hattı geçeklemesi ve yine Ağ 4'ün sayısal integrator, D tipi tutucu gecikme hattı gerçeklemesi takip eder. Sonuçlardan önceki son bölüm olan 'Uygulamalar' ana bölümü, iki bölümden oluşur. İlkinde Ağ 1, kestirim yapılmaksızın geribeslemeli hareket planlama algoritmasında kullanılır. Ardından Doopler Etkisini ve onunla üretilen yeni özniteliği kullanan öngörülü geribeslemeli hareket planlama algoritması sunulmaktadır. Öngörülü planlama tezin içerdiği yeniliklerdendir. Geribeslemeli hareket planı, ayrıklaştırılmış uzayda uzayın her ayrık parçası için bir hareket vektörünün hesaplanmış olduğu plandır. Uzayın, ayrıklaştırılmış olması sebebiyle hücresel doğrusal olmayan ağlarla modellenmesi mümkün olur. Bu ağlar üzerinde dalga hedef noktadan doğar. Dalga yayıldıkça, çeperin ulaştığı hücreler geliş açısını tespit ve kayıt ederek geribeslemeli hareket planı oluşturur. Bu yöntemde geribesleme ifadesinden kasıt, planlama için yayılan dalganın tüm ağa dağılması dolayısıyla modellenen fiziksel dünyanın tüm noktaları için çözümün bulunmuş olması, bu sayede hedefe giden yolların tek seferde, tüm hücreler için aynı anda tespit edilmesidir. Üretilen sonucu kullanan sistem rota üzerinde hata yapsa da elde edilen çözüm sayesinde yeniden hesaplamaya gerek kalmaksızın hedefe doğru ilerlemesi mümkün olmaktadır. 'Uygulamalar'daki bir diğer alt bölümde de zaman gecikmeli Osilatör 4'ün rasgele bit dizisi üretiminde kullanımı konusunda elde edilen araştırma sonuçları verilmiştir. Önerilen kaotik sistemlerin gecikme hattından çıkan bit dizisi rasgele sayı olarak kabul edilir ve NIST'in istatistiksel test ortamıyla dizi sınanır. Uygun düşük hızda yapılan örnekleme sonucunda testi başarıyla geçen bit dizileri elde edilebilektedir. Ayrıca sezgisel senkronizasyon sağlayan ağ ile Osilatör 4 tabanlı rastgele bit üreticisinin gelecekte üretteceği değerlerin önceden tespit edilebildiği gösterilmiştir. Tez boyunca yürütülen çalışmalarda, yeni modeller, yenilikçi gerçeklemeler ve yeni uygulamalara ulaşılmıştır. Her ne kadar tez organizasyonu, hücreler, ağlar, gerçeklemeler ve uygulamalar bölümleriyle yapılmış olsa da içeriği oluşturan çalışmalar, farklı alt bölümlerin bir arada ele alındığı şekilde yürütülmüştür. Bu sebeple, tez çalışması boyunca yayınlanmış olan veya hakem değerlendirmesinde bulunan bildiri ve makaleler farklı alt bölümlerden parçalar ihtiva etmektedir. Çalışma süresince 8 uluslararası konferans bildirisi sunulmuş, 5 dergi makalesi ve 1 kitap bölümü yayınlanmıştır. Ayrıca henüz hakemlik süreci tamamlanmayan 1 dergi makalesi mevcuttur.This thesis is a consistent and coherent reorganization of studies on two topics of nonlinear systems. First topic includes Relaxation Oscillators and logic oscillators with similar behavior which are locally coupled and the resulting Cellular Nonlinear Networks (CNN) are utilized for a predictive motion planning algorithm. Nonlinear waves, especially autowave and traveling wave, have been studied and their system model, coupling schemes, parameters, and inputs generating both types of nonlinear waves are explained. The research covers two implementations of selected CNN and compares their digital circuit (FPGA prototyping), CPU simulation and GPU simulation performances. The research is focused on the Doppler Effect occurrence of the propagated nonlinear waves. A novel nonlinear wave propagation based feedback motion planning algorithm which utilizes the Doppler Effect and generates a prediction for the future state of target object has been proposed. The comparisons which reveals the effect of Doppler Effect are reported. The results prove that a tracker even slower than the target may catch it using the proposed algorithm. This new method of motion planning needs two layers of oscillator based CNNs. Two types of relaxation oscillators (one of them is a new model) and the logic oscillator have been tested for the algorithm. Novel models of chaotic time-delay systems are introduced in the thesis as the second topic. The proposed binary output nonlinearity makes the oscillator generate a mono-scroll chaotic attractor. This thesis also proposes a generalization of the binary output nonlinear function, which is a quantized output nonlinearity. The generalized nonlinearity yields a multi-scroll attractor. Both systems are modelled as sampled-data models, because the binary delay lines are constructed by digital components (D-type flip-flops). The research on implementations of these oscillators has been expanded with binary inverting buffers (NOT gates) and asynchronous digital state machines. These systems successfully generate true random bit sequences without the need for post-processing. Up-to-date NIST's statistical test suite is used for the tests of bit sequences and successful throughput rates are reported. The jitter on the NOT gate based delay line is utilized as physical noise and all-digital implementation supported by the jitter also passed the statistical tests. The thesis merges research parts and reorganize the outputs under four titles: cells, networks, implementations and applications.DoktoraPh

Mild Traumatic Brain Injury: Combined in Silico and in Vitro Studies

Mild traumatic brain injury (TBI) is a significant public health concern worldwide and has attracted significant attention due to high-impact sport as well as improvised explosive devices used in military conflicts. The earliest sign of mild TBI is associated with cognitive, behavioral and physical/somatic changes, which are commonly invisible to existing medical techniques. Thus it is essential to target mechanisms of mild TBI and its associated damage measures for earlier diagnosis/treatment and enhanced protection strategies. In this work, the mechanism of blast-induced mild TBI was inspected through integrated in silico and in vitro models. A three-dimensional (3D) human head model with anatomical details was reconstructed from high-resolution medical images, and positioned in three different directions with respect to the blast wave. The effects of head orientations as well as cerebral blood vessel network in brain mechanics were investigated. The dynamic responses of the brain were monitored by the maximum principal strain (MPS), shear strain (SS), and intracranial pressure (ICP). The developed numerical model was validated by the shock tube experiment using a surrogate head, i.e., water-filled polycarbonate shell. Results demonstrated that the ICP alternations in the brain was initially dominated by the direct blast wave propagation and the skull flexure took effect at a later time. It is worth noting that cerebral blood vessel network induced larger MPS and SS in the brain, which were influenced by vessel diameter and density. Moreover, the contour of the head and its orientation significantly altered the flow dynamics around the head, resulting in different spatial and temporal distributions of brain mechanics. Excessive mechanical stain sensed by brain cells, especially abundant cortical astrocytes, could be a potential index factor for the brain injury. An in vitro injury model for primary cortical astrocytes was developed to identify the injury threshold. Rat cortical astrocytes cultured on silicone membrane were subjected to equibiaxial pulse stretch. The blast pressure profile on the membrane was monitored and the membrane deformations were captured through the high-speed imaging system. The simulated membrane strain, validated by experimental measures, was used to construct an exposure-response curve. It was observed that live cells declined sharply in the strain range from 18% to 35%, which was identified as the injury threshold of cortical astrocytes. The obtained damage threshold of rat cortical astrocytes could be inferred about the level of brain injury in a rat. A 3D rat head model was constructed with an impactor mimicking the loading conditions of contact sports. Results revealed that impact depth and impactor shape were the two leading factors affecting brain dynamics. The influence of impactor diameter was region-specific and an increase in impactor diameter could substantially increase brain strains in the region which located directly beneath the impactor. The lateral impact could induce higher strains in the brain than the central impact. Results suggested that indentation depth instead of impact depth would be appropriate to characterize the influence of a softer impactor. Advisor: Linxia G

Komparativ analyse av heterogene og homogene nevrale feltmodeller

The present thesis is devoted to the comparative analysis of heterogeneous and homogeneous neural field models. The motivation for this work stems from the fact that there is considerable interest in processes in neural tissue, which can underlie both natural and pathological neurobiological phenomena (e.g., orientation tuning in primary visual cortex, short term working memory, control of head direction, motion perception, visual hallucinations and EEG rhythms). The main aim of this thesis is to investigate the outcome of the analysis of a heterogeneous neural field model and its homogeneous counterpart. Another goal is to get more realistic dynamical models for the brain function which takes into account microscopic effects. Mathematically, this approach is formulated in terms of (a system of) nonlinear integro-differential equations. These models describe nonlinear interactions between neuron populations. They are used as a starting point to study traveling wave fronts, localized stationary solutions (bumps) and pattern formation. The first part of the thesis consists of the introduction. Here we first give a short review of the neurophysical background. Secondly, we introduce the key mathematical objects of the present thesis, namely a neural field model of the Amari type and a 2-population homogenized neural field model. We also review the basic ideas of homogenization theory and the two-scale convergence method. Then we summarize the results and give ideas for future works. The second part of the thesis consists of three papers. Paper I deals with the existence and linear stability of stationary periodic bump solutions to a neural field model of the Amari type. In Paper II and III we focus on 2-population homogenized neural field models where the cortical microstructure is taken into account in the connectivity strength. We study the existence and stability of localized stationary single bump solutions (Paper II). In Paper III we investigate pattern forming processes in the same neural field model. The key methods in the present study are a pinning function technique for the existence of bumps, spectral methods and properties, block diagonalization and the Fourier decomposition method in the stability assessment and numerical simulations. We believe that the present thesis contributes to the understanding of the brain functions, both in normal and pathological cases.I denne avhandlingen utføres en komparativ analyse av heterogene og homogene nevrale nettverksmodeller. Motivasjonen for dette arbeidet er interessen for prosesser i hjernebarken, som kan være grunnlag for både naturlige og patologiske nevrobiologiske fenomener (for eksempel i orienteringsinnstilling i den primære visuelle hjernebarken, korttidsminne, kontroll av hoderetning, bevegelsesoppfattelse, visuelle hallusinasjoner og EEG-rytmer). Hovedformålet med denne avhandlingen er å analysere en heterogen nevral nettverksmodell og dens homogene motstykke. Et annet mål er å få mer realistiske dynamiske modeller for hjernefunksjonen, som tar hensyn til mikroskopiske effekter. Disse modellene er gitt som (et system av) ikke-lineære integro-differensiallikninger. Disse modellene beskriver ikke-lineære interaksjoner mellom nevronpopulasjoner. De brukes som utgangspunkt for å studere bølgeforplantning, lokaliserte stasjonære løsninger (bumps) og mønsterdannelse. I introduksjonen presenterer vi en oversikt over den nevrofysiologiske bakgrunnen. Videre introduserer vi de matematiske modellene som er sentrale i denne avhandlingen, det vil si en nevral nettverksmodell av Amari- typen og en homogenisert 2-populasjon nevral nettverksmodell. Vi gjennomgår også grunnbegrepene i homogeniseringsteori og toskala konvergensmetoden. Deretter oppsummerer vi resultatene og fremlegger ideer for videre arbeid. Den andre delen av denne avhandlingen består av tre artikler. Artikkel I omhandler eksistensen og den lineære stabiliteten til stasjonære periodiske bump-løsninger i en nettverksmodell av Amari-typen. I artikkel II og III fokuserer vi på en homogenisert 2-populasjons nevral nettverksmodell, hvor mikrostrukturen i hjernebarken tas med i beregningen av konnektivitetsstyrken. Vi undersøker eksistensen og stabiliteten til lokaliserte stasjonære bump-løsninger (artikkel II). I artikkel III studerer vi mønsterdannende prosesser i den samme nevrale nettverksmodellen. De sentrale metodene i denne studien er en pinning-funksjonsteknikk for eksistens av bumps. Stabilitetsanalysen er gjennomført ved hjelp av spektral metoder , blokk diagonalisering og Fouriertransformasjon og numeriske simuleringer. Vi mener at denne avhandlingen bidrar til forståelsen av hjernens funksjoner, både under normale og patologiske omstendigheter

Dynamics of Patterns

This workshop focused on the dynamics of nonlinear waves and spatio-temporal patterns, which arise in functional and partial differential equations. Among the outstanding problems in this area are the dynamical selection of patterns, gaining a theoretical understanding of transient dynamics, the nonlinear stability of patterns in unbounded domains, and the development of efficient numerical techniques to capture specific dynamical effects