Distributed Parameter State Estimation for the Gray–Scott Reaction-Diffusion Model

A constructive approach is provided for the reconstruction of stationary and non-stationary patterns in the one-dimensional Gray-Scott model, utilizing measurements of the system state at a finite number of locations. Relations between the parameters of the model and the density of the sensor locations are derived that ensure the exponential convergence of the estimated state to the original one. The designed observer is capable of tracking a variety of complex spatiotemporal behaviors and self-replicating patterns. The theoretical findings are illustrated in particular numerical case studies. The results of the paper can be used for the synchronization analysis of the master–slave configuration of two identical Gray–Scott models coupled via a finite number of spatial points and can also be exploited for the purposes of feedback control applications in which the complete state information is required

Structural plasticity driven by task performance leads to criticality signatures in neuromorphic oscillator networks

Oscillator networks rapidly become one of the promising vehicles for energy-efficient computing due to their intrinsic parallelism of execution. The criticality property of the oscillator-based networks is regarded to be essential for performing complex tasks. There are numerous bio-inspired synaptic and structural plasticity mechanisms available, especially for spiking neural networks, which can drive the network towards the criticality. However, there is no solid connection between these self-adaption mechanisms and the task performance, and it is not clear how and why particular self-adaptation mechanisms contribute to the solution of the task, although their relation to criticality is understood. Here we propose an evolutionary approach for the structural plasticity that relies solely on the task performance and does not contain any task-independent adaptation mechanisms, which usually contribute towards the criticality of the network. As a driver for the structural plasticity, we use a direct binary search guided by the performance of the classification task that can be interpreted as an interaction of the network with the environment. Remarkably, such interaction with the environment brings the network to criticality, although this property was not a part of the objectives of the employed structural plasticity mechanism. This observation confirms a duality of criticality and task performance, and legitimizes internal activity-dependent plasticity mechanisms from the viewpoint of evolution as mechanisms contributing to the task performance, but following the dual route. Finally, we analyze the trained network against task-independent information-theoretic measures and identify the interconnection graph’s entropy to be an essential ingredient for the classification task performance and network’s criticality

МОЖЛИВОСТІ ВИКОРИСТАННЯ СТАНДАРТИЗОВАНОГО ОПИТУВАЛЬНИКА ДЛЯ ВИЗНАЧЕННЯ АВТОНОМНИХ ДИСФУНКЦІЙ В ОСІБ МОЛОДОГО ВІКУ

The syndrome of autonomous dysfunctions (SAD) is a polyethiologic syndrome characterized by a dysfunction of the autonomic nervous system and functional disorders from all systems of the body. The prevalence of SAD, according to some authors, is from 20 to 56 % of all diseases in young people, inferior to only ARVI. The aim – to identify students with autonomic dysfunctions and evaluate their functional status quantitatively by using the indicator of the activity of regulatory systems (IARS). Material and Methods. The study involved 100 international students from the 2nd-3rd year of students of the medical faculty (group 1), and 100 Ukrainian students of junior high schools of other faculties (group 2) of both sexes aged 17–23. For the screening of autonomic dysfunctions questionnaires were performed on the standard questionnaire by A. M. Vein. For the objective characterization of the functional state of the autonomic nervous system, indicators of heart rate variability were obtained using the 5-minute second registration with the computer diagnostic complex “CardioLab” (“KhAI-Medika”, Ukraine). Reducing the adaptive capacity of the body was determined by using the indicator of the activity of regulatory systems (IARS). Results. According to the questionnaire by A. M. Vein autonomic dysfunctions were found in 32 foreign students or 32 %, and 21 or 21 % among Ukrainians. However, objectively the presence of autonomic dysfunctions confirmed by indicators of heart rate variability among foreigners was only 18 persons – 18 %, and among Ukrainians – 11 students, that is 11 % according to the total number of students polled. In particular, 50 % of foreign students and 54.5 % of Ukrainian students had moderate functional tension, that is prenosological conditions, IARS 2–4; 22.2 % of foreign students and 27.3 % of Ukrainian students had a pronounced functional tension, that is premorbid condition, IARS 5–6; 11.1 % of foreign students and 9.1 % of Ukrainian students had a pronounced functional stress, poor adaptation status, and IARS 7–8; 16.7 % of foreign students and 9.1 % of Ukrainian students had an underestimate (depletion) of regulatory systems, IARS 9–10. Conclusions. The questionnaire by A. M. Vein can be used for the screening of autonomic dysfunctions syndrome, but objective confirmation is required by measuring the heart rate variability.Синдром автономных дисфункций – это полиэтиологический синдром, характеризующийся дисфункцией вегетативной нервной системы и функциональными нарушениями со стороны всех систем организма. Распространенность САД, по данным некоторых авторов, составляет от 20 до 56 % всех заболеваний у лиц молодого возраста, уступая лишь ОРВИ. Цель – выявить студентов с автономными дисфункциями и оценить функциональное состояние их организма количественно с помощью показателя активности регуляторных систем (ПАРС). Материал и методы. К исследованию было привлечено 100 иностранных студентов 2–3 курcов медицинского факультета (1 группа) и 100 студентов-украинцев младших курсов других факультетов (2 группа) обоих полов в возрасте 17–23 года. Для скрининга автономных дисфункций осуществляли анкетирование по стандартному опроснику А. М. Вейна. Для объективной характеристики функционального состояния автономной нервной системы использовали показатели вариабельности сердечного ритма, полученные путем 5-минутной регистрации II отведения с помощью компьютерного диагностического комплекса «КардиоЛаб» («ХАИ-Медика», Украина). Снижение приспособительных возможностей организма определяли с помощью показателя активности регуляторных систем (ПАРС). Результаты. По данным опросника А. М. Вейна, среди студентов-иностранцев признаки вегетативных изменений имели 32 студента (32 %), а среди украинцев – 21 (21 %). Однако объективно наличие автономных дисфункций, подтвержденных показателями вариабельности сердечного ритма, среди иностранцев имели лишь 18 человек (18 %), а среди украинцев – 11 человек (11 %) соответственно от общего количества опрошенных студентов. В частности, 50 % студентов-иностранцев и 54,5 % студентов-украинцев имели умеренное функциональное напряжение, то есть донозологические состояния, ПАРС 2–4; 22,2 % студентов-иностранцев и 27,3 % студентов-украинцев имели выраженное функциональное напряжение, то есть преморбидное состояние, ПАРС 5–6; 11,1 % студентов-иностранцев и 9,1 % студентов-украинцев имели резко выраженное функциональное напряжение, состояние неудовлетворительной адаптации, ПАРС 7–8; 16,7 % студентов-иностранцев и 9,1 % студентов-украинцев имели астенизацию (истощение) регуляторных систем, ПАРС 9–10. Выводы. Опросник А. М. Вейна может быть использован для скрининга синдрома автономных дисфункций, однако необходимо объективное подтверждение с помощью измерения показателей вариабельности сердечного ритма.Синдром автономних дисфункцій – це поліетіологічний синдром, що характеризується дисфункцією автономної нервової системи і функціональними порушеннями всіх систем організму. Поширеність САД, за даними деяких авторів, складає від 20 до 56 % всіх захворювань у осіб молодого віку, поступаючись лише ГРВІ. Мета – виявити студентів з автономними дисфункціями та оцінити функціональний стан їх організму кількісно за допомогою показника активності регуляторних систем (ПАРС). Матеріал і методи. До дослідження було залучено 100 студентів іноземців 2–3 курcів медичного факультету (1 група), та 100 студентів-українців молодших курсів інших факультетів (2 група) обох статей віком 17–23 роки. Для скринінгу автономних дисфункцій здійснювали анкетування за стандартним опитувальником А. М. Вейна. Для об’єктивної характеристики функціонального стану автономної нервової системи використовували показники варіабельності серцевого ритму, отримані шляхом 5-хвилинної реєстрації ІІ відведення зa допомогою комп’ютерного діагностичного комплексу «КардіоЛаб» («ХАІ-Медіка»,Україна). Зниження пристосувальних можливостей організму визначали за допомогою показника активності регуляторних систем (ПАРС). Результати. За даними опитувальника А. М. Вейна, серед студентів-іноземців ознаки вегетативних змін мали 32 студенти (32 %), а серед українців – 21 (21 %). Однак об’єктивно автономні дисфункції, підтверджені показниками варіабельності серцевого ритму, серед іноземців мали лише 18 осіб (18 %), а серед українців – 11 осіб (11 %) відповідно до загальної кількості опитаних студентів. Зокрема, 50 % студентів-іноземців та 54,5 % студентів-українців мали помірну функціональну напругу, тобто донозологічні стани, ПАРС 2–4; 22,2 % студентів-іноземців та 27,3 % студентів-українців мали виражену функціональну напругу, тобто преморбідний стан, ПАРС 5–6; 11,1 % студентів-іноземців та 9,1 % студентів-українців мали різко виражену функціональну напругу, стан незадовільної адаптації, ПАРС 7-8; 16,7 % студентів-іноземців та 9,1 % студентів-українців мали астенізацію (виснаження) регуляторних систем, ПАРС 9–10. Висновки. Опитувальник А. М. Вейна може бути використаний для скринінгу синдрому автономних дисфункцій, однак необхідним є об’єктивне підтвердження за допомогою вимірювання показників варіабельності серцевого ритму