Oscillations, metastability and phase transitions in brain and models of cognition

Neuroscience is being practiced in many different forms and at many different organizational levels of the Nervous System. Which of these levels and associated conceptual frameworks is most informative for elucidating the association of neural processes with processes of Cognition is an empirical question and subject to pragmatic validation. In this essay, I select the framework of Dynamic System Theory. Several investigators have applied in recent years tools and concepts of this theory to interpretation of observational data, and for designing neuronal models of cognitive functions. I will first trace the essentials of conceptual development and hypotheses separately for discerning observational tests and criteria for functional realism and conceptual plausibility of the alternatives they offer. I will then show that the statistical mechanics of phase transitions in brain activity, and some of its models, provides a new and possibly revealing perspective on brain events in cognition

Metastability, Criticality and Phase Transitions in brain and its Models

This essay extends the previously deposited paper "Oscillations, Metastability and Phase Transitions" to incorporate the theory of Self-organizing Criticality. The twin concepts of Scaling and Universality of the theory of nonequilibrium phase transitions is applied to the role of reentrant activity in neural circuits of cerebral cortex and subcortical neural structures

Perspective: network-guided pattern formation of neural dynamics

The understanding of neural activity patterns is fundamentally linked to an understanding of how the brain's network architecture shapes dynamical processes. Established approaches rely mostly on deviations of a given network from certain classes of random graphs. Hypotheses about the supposed role of prominent topological features (for instance, the roles of modularity, network motifs, or hierarchical network organization) are derived from these deviations. An alternative strategy could be to study deviations of network architectures from regular graphs (rings, lattices) and consider the implications of such deviations for self-organized dynamic patterns on the network. Following this strategy, we draw on the theory of spatiotemporal pattern formation and propose a novel perspective for analyzing dynamics on networks, by evaluating how the self-organized dynamics are confined by network architecture to a small set of permissible collective states. In particular, we discuss the role of prominent topological features of brain connectivity, such as hubs, modules and hierarchy, in shaping activity patterns. We illustrate the notion of network-guided pattern formation with numerical simulations and outline how it can facilitate the understanding of neural dynamics

Perspectives on the Neuroscience of Cognition and Consciousness

The origin and current use of the concepts of computation, representation and information in Neuroscience are examined and conceptual flaws are identified which vitiate their usefulness for addressing problems of the neural basis of Cognition and Consciousness. In contrast, a convergence of views is presented to support the characterization of the Nervous System as a complex dynamical system operating in the metastable regime, and capable of evolving to configurations and transitions in phase space with potential relevance for Cognition and Consciousness

Generative Models of Cortical Oscillations: Neurobiological Implications of the Kuramoto Model

Understanding the fundamental mechanisms governing fluctuating oscillations in large-scale cortical circuits is a crucial prelude to a proper knowledge of their role in both adaptive and pathological cortical processes. Neuroscience research in this area has much to gain from understanding the Kuramoto model, a mathematical model that speaks to the very nature of coupled oscillating processes, and which has elucidated the core mechanisms of a range of biological and physical phenomena. In this paper, we provide a brief introduction to the Kuramoto model in its original, rather abstract, form and then focus on modifications that increase its neurobiological plausibility by incorporating topological properties of local cortical connectivity. The extended model elicits elaborate spatial patterns of synchronous oscillations that exhibit persistent dynamical instabilities reminiscent of cortical activity. We review how the Kuramoto model may be recast from an ordinary differential equation to a population level description using the nonlinear Fokker–Planck equation. We argue that such formulations are able to provide a mechanistic and unifying explanation of oscillatory phenomena in the human cortex, such as fluctuating beta oscillations, and their relationship to basic computational processes including multistability, criticality, and information capacity

Modeling and Optimal Operation of Hydraulic, Wind and Photovoltaic Power Generation Systems

The transition to 100% renewable energy in the future is one of the most important ways of achieving "carbon peaking and carbon neutrality" and of reducing the adverse effects of climate change. In this process, the safe, stable and economical operation of renewable energy generation systems, represented by hydro-, wind and solar power, is particularly important, and has naturally become a key concern for researchers and engineers. Therefore, this book focuses on the fundamental and applied research on the modeling, control, monitoring and diagnosis of renewable energy generation systems, especially hydropower energy systems, and aims to provide some theoretical reference for researchers, power generation departments or government agencies

The method of multi objective synthesis of nonlinear robust control by multimass electromechanical systems

Aim. Development of the method of multi objective synthesis of nonlinear robust control by multimass electromechanical systems to satisfy various requirements for the operation of multi-mass systems in various modes. Methodology. The problem of multi objective synthesis of nonlinear robust control of multimass electromechanical systems is formulated and the possibility of satisfying various requirements for the operation of such systems in various modes based on the concept of functionally multiple membership of the state vector and the solution of the Hamilton-Jacobi-Isaacs equation is shown. A method for choosing weight matrices with the help the vector of purpose of nonlinear robust control is formed by solving a zero-sum vector antagonistic game has been substantiated and developed. Results. The results multi objective synthesis of nonlinear robust two-mass electromechanical servo systems in which differences requirements for the operation of such systems in various modes were satisfied are given. Based on the results of modeling and experimental studies it is established, that with the help of synthesized robust nonlinear controllers, it is possible to improve of quality indicators of two-mass electromechanical servo system in comparison with the system with standard regulators. Originality. For the first time the method of multi objective synthesis of nonlinear robust control by multimass electromechanical systems to satisfy various requirements for the operation of multimass systems in various modes is developed. Practical value. From the point of view of the practical implementation the possibility of solving the problem of multi objective synthesis of nonlinear robust control systems to satisfy various requirements for the operation of multimass electromechanical systems in various modes is shown.Мета. Розробка методу багатокритеріального синтезу нелінійного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами для задоволення різноманітних вимог до роботи багатомасових систем у різних режимах. Методологія. Сформульовано задачу багатокритеріального синтезу нелінійного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами та показана можливість задоволення різноманітних вимог до роботи таких систем у різних режимах на основі концепції функціонально множинної належності вектора стану та рішення рівняння Гамільтона-Якобі-Айзекса. Обґрунтовано та розроблено метод вибору вагових матриць, за допомогою яких формується вектор мети нелінійного робастного керування, шляхом розв’язання векторної антагоністичної гри з нульовою сумою. Результати. Наведено результати багатокритеріального синтезу нелінійних робастних двомасових електромеханічних сервосистем керування, в яких були задоволені різноманітні вимоги до роботи таких систем у різних режимах. На основі результатів моделювання та експериментальних досліджень встановлено, що за допомогою синтезованих нелінійних робастних регуляторів можна підвищити якісні показники двомасової електромеханічної сервосистеми в порівнянні з системою зі стандартними регуляторами. Оригінальність. Вперше розроблено метод багатокритеріального синтезу нелінійного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами для задоволення різноманітних вимог до роботи багатомасових систем у різних режимах. Практичне значення. З точки зору практичної реалізації показана можливість вирішення задачі багатокритеріального синтезу нелінійних робастних електромеханічних систем керування для задоволення різноманітних вимог до роботи таких систем у різних режимах

The method of multi objective synthesis of stochastic robust control by multimass electromechanical systems under non-gausian random external disturbances

Aim. Development of the method of multi objective synthesis of stochastic robust control by multimass electromechanical systems to satisfy various requirements for the operation of such systems in various modes under non-gausian random external disturbances. Methodology. The problem of multi objective synthesis of stochastic robust control by multimass electromechanical systems to satisfy various requirements for the operation of such systems in various modes under non-gausian random external disturbances solved based on the choosing of weight matrices in the robust control goal vector.The calculation of the target vector is performed based on the solution of the zero-sum vector antagonistic game. The components of the game payoff vector are variable quality indicators that are applied to the system operation in various modes. The calculation of the components of payoff vector game are performed based on the simulation of the initial system closed by the synthesized stochastic controllers in various operating modes and under various external influences and variations in the parameters of the uncertainty of the initial plant. Results. The results of multi objective synthesis of stochastic robust two-mass electromechanical servo systems modes under non-gausian random external disturbances in which differences requirements for the operation of such systems in various modes were satisfied are given. Based on the results of modeling and experimental studies it is established, that with the help of synthesized robust nonlinear controllers, it is possible to improve of quality indicators of two-mass electromechanical servo system in comparison with the system with standard regulators. Originality. For the first time the method of multi objective synthesis of stochastic robust control by multimass electromechanical systems to satisfy various requirements for the operation of multimass systems in various modes is developed. Practical value. From the point of view of the practical implementation the possibility of solving the problem of multi objective synthesis of stochastic robust control systems to satisfy various requirements for the operation of multimass electromechanical systems in various modes is shown.Ціль. Розробка методу багатокритеріального синтезу стохастичного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами для задоволення різноманітних вимог до роботи багатомасових систем в різних режимах при негаусових випадкових зовнішніх збуреннях. Методологія. Задача багатокритеріалного синтезу стохастичного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами для задоволення різноманітних вимог до роботи систем в різних режимах при негаусових випадкових зовнішніх збуреннях вирішена на основі вибору вагових матриць у векторі цілі робастного керування. Обчислення вектору цілі виконується на основі рішення векторної антагоністичної гри з нульовою сумою. Компонентами вектора ціни ігри є показники якості, які пред'являються до роботи системи в різних режимах. Обчислення компонентів вектора ціни гри виконано на основі моделювання вихідної системи, замкненої синтезованими стохастичними регуляторами в різних режимах роботи та при різних зовнішніх впливах та варіаціях параметрів невизначеності вихідної системи. Результати. Наведено результати багатокритеріалного синтезу стохастичних робастних двомасових електромеханічних сервосистем при негаусових випадкових зовнішніх збуреннях, в яких задовольняються вимоги до роботи таких систем у різних режимах. На основі результатів моделювання та експериментальних досліджень встановлено, що за допомогою синтезованих стохастичних робастних регуляторів можна підвищити якісні показники двомасової електромеханічної сервосистеми в порівнянні з системою зі стандартними регуляторами. Оригінальність. Вперше розроблено метод багатокритеріального синтезу стохастичного робастного керування багатомасовими електромеханічними системами для задоволення різноманітних вимог до роботи таких систем у різних режимах. Практична цінність. З точки зору практичної реалізації, показано можливість вирішення задачі багатокритеріалного синтезу стохастичних робастних систем керування для задоволення різноманітних вимог до роботи багатомасових електромеханічних систем в різних режимах

Advancements in Flux Switching Machine Optimization : Applications and Future Prospects

This work was supported by the Commonwealth Scholarship Commission, U. K., under Grant Number: NGCN-180-2021Peer reviewe