Interaction of external forcing and noise in bio-inspired oscillator systems

Biologische und bioinspirierte Oszillatoren sind faszinierende Systeme, die aus technischer Sicht untersucht werden sollten. Biologische Oszillatoren sind von Natur aus verrauscht, erzeugen aber dennoch stabile Schwingungsrhythmen und passen ihre Periode an die Periode der Eingangssignale an, ein Prozess, der als Entrainment bekannt ist. Oszillatorsysteme kommen nicht nur in der Natur, sondern auch in vielen vom Menschen geschaffenen Systemen vor, zum Beispiel in Bewegungsgeneratoren für Roboter oder in elektrischen Schaltkreisen. Daher ist ein besseres Verständnis der Konstruktionsprinzipien biologischer Oszillatoren und ihrer Strategien, mit Rauschen umzugehen oder es sogar zu nutzen, um ihr Entrainment an die Eingangssignale zu unterstützen, für ein besseres Verständnis der oszillatorischen Systeme und ihrer technischen Anwendungen unerlässlich. Der Hauptbeitrag der vorliegenden Arbeit ist die numerische Untersuchung und Analyse einer Population stochastischer Oszillatoren unter wechselnden Parametern des Eingangssignals und variierender Rauschintensität. Das theoretische Kapitel der Arbeit zeigt, dass Rauschen die Empfindlichkeit gegenüber schwachen externen Signalen erhöhen kann und somit die Anpassung an einen größeren Bereich von Eingangsamplituden und -perioden im Vergleich zu einem äquivalenten deterministischen System ermöglicht. Das Rauschen erhöht auch die Phasenreaktion auf einen stufenförmigen Eingangsimpuls und beschleunigt die Erholung von einer Jet-Lag-artigen Störung. Es wird ferner gezeigt, dass diese Effekte nicht nur auf biologische Oszillatoren beschränkt sind, sondern auch für eine größere Anzahl von generischen Oszillatorsystemen mit einem Grenzzyklus zu gelten scheinen. Im letzten Teil des theoretischen Kapitels wird ein neuartiger schrittweiser Anpassungsalgorithmus vorgestellt, der eine Parameteranpassung von stochastischen Oszillatorpopulationen ermöglicht. Alle im theoretischen Kapitel entwickelten Methoden wurden als Open-Source-Softwarepaket zur Verfügung gestellt. Im letzten Teil der Arbeit wird eine praktische Anwendung für die entwickelten Methoden vorgestellt. Hier wird ein stochastisches Gleichungsmodell entwickelt, um die Tag-Nacht-Rhythmen in Zebrafisch-Zelllinien zu untersuchen. Das Modell wird anschließend verwendet, um festzustellen, wie verschiedene Medikamente die Synchronisation und Stochastizität der biologischen Uhr beeinflussen

Loss of neuronal network resilience precedes seizures and determines the ictogenic nature of interictal synaptic perturbations

The mechanisms of seizure emergence, and the role of brief interictal epileptiform discharges (IEDs) in seizure generation are two of the most important unresolved issues in modern epilepsy research. Our study shows that the transition to seizure is not a sudden phenomenon,but a slow process characterized by the progressive loss of neuronal network resilience. From a dynamical perspective, the slow transition is governed by the principles of critical slowing, a robust natural phenomenon observable in systems characterized by transitions between dynamical regimes. In epilepsy, this process is modulated by the synchronous synaptic input from IEDs. IEDs are external perturbations that produce phasic changes in the slow transition process and exert opposing effects on the dynamics of a seizure-generating network, causing either anti-seizure or pro-seizure effects. We show that the multifaceted nature of IEDs is defined by the dynamical state of the network at the moment of the discharge occurrence

Synchronization of oscillatory growth prepares fungal hyphae for fusion

Communication is crucial for organismic interactions, from bacteria, to fungi, to humans. Humans may use the visual sense to monitor the environment before starting acoustic interactions. In comparison, fungi, lacking a visual system, rely on a cell-to-cell dialogue based on secreted signaling molecules to coordinate cell fusion and establish hyphal networks. Within this dialogue, hyphae alternate between sending and receiving signals. This pattern can be visualized via the putative signaling protein Soft (SofT), and the mitogen-activated protein kinase MAK-2 (MakB) which are recruited in an alternating oscillatory manner to the respective cytoplasmic membrane or nuclei of interacting hyphae. Here, we show that signal oscillations already occur in single hyphae of Arthrobotrys flagrans in the absence of potential fusion partners (cell monologue). They were in the same phase as growth oscillations. In contrast to the anti-phasic oscillations observed during the cell dialogue, SofT and MakB displayed synchronized oscillations in phase during the monologue. Once two fusion partners came into each other’s vicinity, their oscillation frequencies slowed down (entrainment phase) and transit into anti-phasic synchronization of the two cells’ oscillations with frequencies of 104±28 s and 117±19 s, respectively. Single-cell oscillations, transient entrainment, and anti-phasic oscillations were reproduced by a mathematical model where nearby hyphae can absorb and secrete a limited molecular signaling component into a shared extracellular space. We show that intracellular Ca2+ concentrations oscillate in two approaching hyphae, and depletion of Ca2+ from the medium affected vesicle-driven extension of the hyphal tip, abolished the cell monologue and the anti-phasic synchronization of two hyphae. Our results suggest that single hyphae engage in a ‘monologue’ that may be used for exploration of the environment and can dynamically shift their extracellular signaling systems into a ‘dialogue’ to initiate hyphal fusion