Collective phenomena in networks of electronic neurons

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: MEDEIROS, Bruno Nogueira de Souza
Data de Publicação: 2015
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPE
Texto Completo: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/15001
Resumo: Sistemas sensoriais biológicos usualmente são formados por redes complexas de milhares de neurônios capazes de discernir estímulos cujas intensidades podem cobrir várias ordens de magnitude, o que se traduz em uma grande faixa dinâmica. Estudos recentes sugerem que grandes faixas dinâmicas emergem como um fenômeno coletivo de vários elementos excitáveis de pequena faixa dinâmica conectados entre si. Este efeito tem possíveis aplicações práticas na construção de sensores biologicamente inspirados de alta sensibilidade e grande faixa dinâmica. Motivado por este fato, esta tese propõe o uso de circuitos eletrônicos de extrema simplicidade para a construção de redes de elementos excitáveis. Um circuto eletrônico excitável, inspirado na dinâmica do modelo de FitzHugh-Nagumo para excitabilidade neuronal, serve como elemento básico na construção de redes. Para conectar tais circuitos, um outro circuito eletrônico que simula o comportamento de sinapses químicas é utilizado. Devido à sua simplicidade, ambos os circuitos permitem fácil modelagem matemática, além de poderem ser reproduzidos em larga escala. Ainda assim, os circuitos dão liberdade para controle de parâmetros importante da dinâmica, como escalas temporais e intensidades de acoplamento. O uso destes circuitos eletrônicos, juntamente com circuitos complementares, como geradores de ruído, permitem a investigação diversos fenômenos coletivos envolvendo elementos excitáveis. Neste trabalho focamos nossos esforços no estudo de efeitos de simetria sináptica, que levem à ressonâcia de coerência ou incoerência e no fenômeno de alargamento de faixa dinâmica.
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Um circuto eletrônico excitável, inspirado na dinâmica do modelo de FitzHugh-Nagumo para excitabilidade neuronal, serve como elemento básico na construção de redes. Para conectar tais circuitos, um outro circuito eletrônico que simula o comportamento de sinapses químicas é utilizado. Devido à sua simplicidade, ambos os circuitos permitem fácil modelagem matemática, além de poderem ser reproduzidos em larga escala. Ainda assim, os circuitos dão liberdade para controle de parâmetros importante da dinâmica, como escalas temporais e intensidades de acoplamento. O uso destes circuitos eletrônicos, juntamente com circuitos complementares, como geradores de ruído, permitem a investigação diversos fenômenos coletivos envolvendo elementos excitáveis. Neste trabalho focamos nossos esforços no estudo de efeitos de simetria sináptica, que levem à ressonâcia de coerência ou incoerência e no fenômeno de alargamento de faixa dinâmica.CNPQFACEPEBiological sensory system are usually composed of complex networks of thousands of neurons capable of differentiating stimuli ranging many orders of magnitude, which translates to a large dynamic range. Recent works suggest that large dynamic ranges arise as a collective phenomenon of many excitable elements of low dynamic range connected together. This effect has possible practical applications in the construction of biologically inspired sensors with high sensibility and dynamic range. With such motivation, this thesis proposes the use of electronic circuits of extreme simplicity in the construction of excitable elements networks. An excitable electronic circuit, inspired in the dynamics of the FitzHugh-Nagumo model for neuronal excitability, is the building block in the construction of networks. To connect such circuits, another electronic circuit mimicking the behavior of chemical synapses is employed. Due to their simplicity, both circuits allow for straightforward mathematical modeling and reproduction in large scale. Despite that, important dynamic parameters such as time scales and coupling strengths can be controlled. The use of those electronic circuits, along with other complementary circuits like noise generators, allows for the investigation of many collective phenomena where excitable elements are the main agents. In this work we focus our efforts in the study of synaptic symmetry effects that lead to coherence or incoherence resonance and in the phenomenon of dynamic range increase.porUNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCOPrograma de Pos Graduacao em FisicaUFPEBrasilAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCircuitos eletrônicosElementos excitáveisNeurôniosSinapsesRessonância de coerênciaFaixa dinâmicaCollective phenomena in networks of electronic neuronsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisdoutoradoreponame:Repositório Institucional da UFPEinstname:Universidade Federal de Pernambuco (UFPE)instacron:UFPETHUMBNAILTESE Bruno Nogueira de Souza Medeiros.pdf.jpgTESE Bruno Nogueira de Souza Medeiros.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1216https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/15001/5/TESE%20Bruno%20Nogueira%20de%20Souza%20Medeiros.pdf.jpge819c9f120533d0c834691fd455115ebMD55ORIGINALTESE Bruno Nogueira de Souza Medeiros.pdfTESE Bruno Nogueira de Souza Medeiros.pdfapplication/pdf9343758https://repositorio.ufpe.br/bitstream/123456789/15001/1/TESE%20Bruno%20Nogueira%20de%20Souza%20Medeiros.pdfa52019cac84b1c22ad1caf5b981e9a25MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; 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