Common mechanisms of attractorless oscillatory regimes in radioengineering models of brain thalamocortical network

Nikita Egorov,Marina Sysoeva,Vladimir Ponomarenko,Ilya Sysoev,Sofia Melnikova

doi:10.18500/0869-6632-2021-29-6-927-942

Abstract

This work aims to show that long transient processes in mesascale models of thalamocortical brain network can appear in very general case, in particular for different number of elements in the ensemble (different level of detalization) and different initial phase of external driving, with these regimes surviving at small variations of number and structure of couplings. Methods. Thalamocortical brain networks are modelled using electronic circuit realized using computer SPICE eluating software. FitzHugh – Nagumo analog generator is used as a single circuit element. Results. Long quasiregular and nonregular oscillation processes with stationary amplitude were shown to occur in ensembles of 14, 28 and 56 model FitzHug – Nagumo generators. The dependency of transient process length on the external driving initial phase and particular coupling matrix structure was studied. Conclusion. The proposed electronic models of thalamocortical system were proved to reproduce the pathological regimes of brain activity in similar way despite the number of elements in the circuit, connectivity matrix and initial driving phase.

Highlights

Традиционно изучение процессов в биосистемах разделено на несколько этапов: первичное наблюдение, эксперимент, съём и анализ экспериментальных данных, синтез математических моделей
Для пик-волновых разрядов эти этапы в основном пройдены к настоящему времени [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]
При фиксированной фазе внешнего воздействия было показано [14], что неавтономный нейрон, находящийся под внешним воздействием, при больших значениях a вплоть до значения abr,cr демонстрирует низкоамплитудные подпороговые колебания, при уменьшении значения a – высокоамплитудные нелинейные вынужденные колебания; Рис. 3. a – Временная реализация двух периодов воздействующего сигнала; b – карта бифуркаций на плоскости при kNT = 0.1, на которой сплошная линия соответствует рождению первого цикла из сгущения фазовых траекторий (в результате седлоузловой бифуркации цикла), а штриховая — области, где выбранные начальные условия лежат вне бассейна притяжения возникшего цикла

Summary

Introduction

Традиционно изучение процессов в биосистемах разделено на несколько этапов: первичное наблюдение, эксперимент, съём и анализ экспериментальных данных, синтез математических моделей. Что предложенная схема способна моделировать возникновение пик-волновых разрядов, характерных для Егоров Н. Для математических моделей и масштабируемость [9], и вариабельность по популяции [10] были показаны, но только на больших моделях из 100 и более нейронов, а также весьма ограниченно: в работе [9] рассматривалось только двукратное увеличение числа узлов в сети, в работе [10] были построены только 4 варианта модели.

Objectives

Results

Conclusion