Synchronization phenomena in networks of coupled neuronal oscillators

Anesiadis, Konstantinos; Ανεσιάδης, Κωνσταντίνος

dc.contributor.author	Anesiadis, Konstantinos	en
dc.contributor.author	Ανεσιάδης, Κωνσταντίνος	el
dc.date.accessioned	2024-02-05T09:30:42Z
dc.date.available	2024-02-05T09:30:42Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58774
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26470
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μαθηματική Προτυποποίηση σε Σύγχρονες Τεχνολογίες και στα Χρηματοοικονομικά”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Biological neural networks	en
dc.subject	Βιολογικά νευρωνικά δίκτυα	el
dc.subject	Chimera states	en
dc.subject	Χειμερικές καταστάσεις	el
dc.subject	Leaky integrate-and-fire neuron	en
dc.subject	Νευρώνας ολοκλήρωσης-και-πυροδότησης με απώλειες	el
dc.subject	Synchronization	en
dc.subject	Συγχρονισμός	el
dc.subject	Subthreshold oscillations	en
dc.subject	Υποκατωφλιακές ταλαντώσεις	el
dc.title	Synchronization phenomena in networks of coupled neuronal oscillators	en
dc.title	Φαινόμενα Συγχρονισμού σε Δίκτυα Συζευγμένων Νευρωνικών Ταλαντωτών	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Computational neuroscience	en
heal.classification	Υπολογιστική νευροεπιστήμη	en
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-09-21
heal.abstract	In this MSc thesis, a first approach to the numerical investigation of a two-level network (multiplex) of identical Leaky Integrate-and-Fire (LIF) neuronal oscillators is undertaken. The multiplex network is characterized by regular symmetric non-local coupling within each level, and one-to-one ordered connections between the two levels. Each layer is formed as a ring-type subnetwork. The motivation for investigating this particular LIF multiplex is: 1) brain parcellation studies indicating intra- and inter-connectivity within and between the two brain hemispheres, respectively, 2) non-trivial results in the simpler version of the single ring, and 3) the minimal computational cost of using LIF oscillators which exhibit spiking activity assimilating the basic neuronal functions. The investigation mainly addresses the role of the network’s coupling strengths – intra-ring and inter-ring – as they are reported to be heavily influential in the emergence of synchronization patterns in the system. The breakdown of the results of the work is done along two axes: the equality/inequality of intra-ring strengths and the type of strengths, i.e. attractive or repulsive. The results show similarities and differences with respect to single-ring geometry. Similarities include the emergence of chimera states (states where coherent and incoherent domains coexist in the system), solitary states, subthreshold oscillations (oscillations that stay below the threshold and never reset to the rest state), and other non-trivial synchronization patterns. We also present numerical evidence on the presence of notable patterns that are not observed in single rings and these include mainly different manifestations of subthreshold oscillations. When repulsive intra-couplings and attractive inter-coupling become sufficiently strong, one of the two rings performs exclusively subthreshold oscillations. These subthreshold oscillations mimic the activity of the other ring whenever the former is either in a solitary, chimera, or incoherent state. Especially, concerning the case of solitary states, subthreshold oscillations may be switching alternately and aperiodically from ring to ring. This phenomenon of different dynamics in the two connected rings is unexpected and is one of the emergent properties in multiplex networks. For attractive intra-couplings and repulsive inter-coupling, synchronized subthreshold oscillations may erratically change state values way below the threshold potential without ever reaching the rest state. Overall, the results demonstrate similarities and differences in the synchronization properties of the multiplex compared to the single-ring dynamics, which are due to the interplay of the connectivities within and between the two rings. Applications of these studies may be envisaged in the domains of neuroscience research, brain-computer interfaces, and the development of novel computational models for understanding complex information processing in the brain.	en
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία επιχειρείται μια πρώτη προσέγγιση στην αριθμητική διερεύνηση ενός πολυδικτύου δύο επιπέδων (multiplex) από πανομοιότυπους νευρωνικούς ταλαντωτές Ολοκλήρωσης-Πυροδότησης με Απώλειες (LIF). Το σχήμα σύνδεσης που χρησιμοποιείται είναι η κανονική συμμετρική μη-τοπική σύνδεση εντός κάθε επιπέδου και ένα-προς-ένα διατεταγμένες συνδέσεις μεταξύ των δύο επιπέδων. Κάθε επίπεδο διαμορφώνεται ως υποδίκτυο τύπου δακτυλίου. Το κίνητρο για τη διερεύνηση αυτού του συγκεκριμένου LIF πολυδικτύου είναι 1) οι μελέτες εγκεφαλικής διαμερισματοποίησης που υποδεικνύουν ενδο- (intra-) και δια-συνδεσιμότητα (inter-coupling) εντός και μεταξύ των δύο ημισφαιρίων του εγκεφάλου, αντίστοιχα, 2) τα μη τετριμμένα αποτελέσματα στην απλούστερη εκδοχή του μονού δακτυλίου, και 3) το ελάχιστο υπολογιστικό κόστος της χρήσης ταλαντωτών LIF οι οποίοι παρουσιάζουν την χαρακτηριστική ακιδωτή (spiking) δραστηριότητα που εξομοιώνει τις βασικές νευρωνικές λειτουργίες. Η έρευνα ασχολείται κυρίως με το ρόλο των παραμέτρων ισχύος στο δίκτυο –εντός και μεταξύ των δακτυλίων– καθώς αναφέρεται ότι επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την εμφάνιση μοτίβων συγχρονισμού στο σύστημα. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων της εργασίας γίνεται πάνω σε δύο άξονες: της ισότητας/ανισότητας της ισχύος σύζευξης ενδο-δακτυλίου και του είδους των δυνάμεων, δηλαδή ελκτικών ή απωστικών. Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ομοιότητες και διαφορές σε σχέση με τη δυναμική σε γεωμετρία μονού δακτυλίου. Οι ομοιότητες περιλαμβάνουν την εμφάνιση καταστάσεων χίμαιρας (καταστάσεις όπου συγχρονισμένες και ασυγχρόνιστες περιοχές συνυπάρχουν στο σύστημα), μονήρων καταστάσεων, υποκατωφλιακών ταλαντώσεων (ταλαντώσεις που παραμένουν κάτω από το κατώφλι πυροδότησης και δεν επανέρχονται ποτέ στο δυναμικό ηρεμίας) και άλλων μη τετριμμένων μοτίβων συγχρονισμού. Παρουσιάζουμε επίσης αριθμητικά ενδείξεις για την παρουσία αξιοσημείωτων μοτίβων που δεν παρατηρούνται σε μεμονωμένους δακτυλίους και σε αυτά περιλαμβάνονται κυρίως διαφορετικές εκφάνσεις υποκατωφλιακών ταλαντώσεων. Όταν οι απωστικές ενδοσυζεύξεις και οι ελκτικές διασυζεύξεις γίνονται αρκετά ισχυρές, ένας από τους δύο δακτυλίους εκτελεί αποκλειστικά υποκατωφλιακές ταλαντώσεις. Αυτές οι ταλαντώσεις μιμούνται τη δραστηριότητα του άλλου δακτυλίου κάθε φορά που ο πρώτος βρίσκεται είτε σε μονήρη, είτε σε χιμαιρική, είτε σε ασυγχρόνιστη κατάσταση. Ειδικότερα, όσον αφορά την περίπτωση των μονήρων καταστάσεων, οι υποκατωφλιακές ταλαντώσεις μπορούν να εμφανίζονται εναλλάξ και απεριοδικά από δακτύλιο σε δακτύλιο. Το φαινόμενο της διαφορετικής δυναμικής στους δύο συνδεδεμένους δακτυλίους ήταν μη αναμενόμενο και αποτελεί μία από τις αναδυόμενες ιδιότητες του multiplexing. Για ελκτικές ενδοσυζεύξεις και απωστικές διασυζεύξεις, οι συγχρονισμένες υποκατωφλιακές ταλαντώσεις μπορεί να αλλάζουν ακανόνιστα τιμές καταστάσεων πολύ κάτω από το δυναμικό κατωφλίου χωρίς να φτάνουν ποτέ στην κατάσταση ηρεμίας. Συνολικά, τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ομοιότητες και διαφορές στις ιδιότητες συγχρονισμού του πολυδικτύου σε σύγκριση με τη δυναμική του μονού δακτυλίου, οι οποίες οφείλονται στην αλληλεπίδραση των συνδεσμολογιών εντός και μεταξύ των δύο δακτυλίων. Εφαρμογές αυτών των μελετών μπορούν να εξεταστούν στους τομείς της νευροεπιστημονικής έρευνας, των διεπαφών εγκεφάλου-υπολογιστή και της ανάπτυξης νέων υπολογιστικών μοντέλων για την κατανόηση της σύνθετης επεξεργασίας πληροφοριών στον εγκέφαλο.	el
heal.advisorName	Provata, Astero	en
heal.advisorName	Προβατά, Αστέρω	el
heal.committeeMemberName	Constantoudis, Vassilios	en
heal.committeeMemberName	Κωνσταντούδης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Kominis, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Κομίνης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	124 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false