Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Егоров Н. М., Сысоева М. В., Пономаренко В. И., Корнилов М. В., Сысоев И. В. Кольцевой генератор нейроподобной активности с перестраиваемой частотой // Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, вып. 1. С. 103-120. DOI: 10.18500/0869-6632-003025

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.373.9
EDN: 

Кольцевой генератор нейроподобной активности с перестраиваемой частотой

Авторы: 
Егоров Никита Михайлович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Сысоева Марина Вячеславовна, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Пономаренко Владимир Иванович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Корнилов Максим Вячеславович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Сысоев Илья Вячеславович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Целью работы является построение радиофизического генератора нейроподобной активности с перестраиваемою различными способами частотою, соответствующего современным представлениям об устройстве гиппокампа и генерации в нём патологических эпилептических ритмов. Методы. В качестве элементов генератора выступают радиотехнические реализации полного нейрона ФитцХью–Нагумо и электронная реализация химического синапса в виде сигмоидной функции с запаздывающим аргументом. Моделирование проводилось в SPICE симуляторе. Результаты. Рассмотрены различные способы внесения запаздывания в связь: идеальная линия запаздывания, фазовый фильтр с реостатом, один перестраиваемый фильтр Бесселя и последовательность неперестраиваемых фильтров Бесселя. Для схемотехнической реализации оптимальным по сочетанию простоты и минимизации искажения сигнала признан подход с использованием фильтра Бесселя с реостатом. Построены зависимости частоты колебаний от числа элементов в кольце и времени запаздывания. Исследована бистабильность режимов генерации при некоторых значениях параметров. Рассмотрено влияние включения подавляющих элементов (интернейронов) в цепь. Заключение. Построенный кольцевой генератор моделирует экспериментально наблюдаемые свойства динамики основной частоты эпилептических разрядов при лимбической эпилепсии. Он способен воспроизвести возникновение колебаний в результате внешнего кратковременного воздействия, плавную и резкую перестройку частоты, сосуществование различных режимов при одних и тех же параметрах.

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 19-72-10030-П, https://rscf.ru/project/19-72-10030/
Список источников: 
  1. Lodi M., Shilnikov A. L., Storace M. Design principles for central pattern generators with preset rhythms // IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems. 2020. Vol. 31, no. 9. P. 3658–3669. DOI: 10.1109/TNNLS.2019.2945637.
  2. Kurkin S. A., Kulminskiy D. D., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Astakhov S. V., Hramov A. E. Central pattern generator based on self-sustained oscillator coupled to a chain of oscillatory circuits // Chaos. 2022. Vol. 32, no. 3. P. 033117. DOI: 10.1063/5.0077789.
  3. Mahowald M., Douglas R. A silicon neuron // Nature. 1991. Vol. 354, no. 6354. P. 515–518. DOI: 10.1038/354515a0.
  4. Rasche C., Douglas R. An improved silicon neuron // Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2000. Vol. 23, no. 3. P. 227–236. DOI: 10.1023/A:1008357931826.
  5. van Schaik A. Building blocks for electronic spiking neural networks // Neural Networks. 2001. Vol. 14, no. 6–7. P. 617–628. DOI: 10.1016/S0893-6080(01)00067-3.
  6. Дмитричев А. С., Касаткин Д. В., Клиньшов В. В., Кириллов С.Ю., Масленников О. В., Щапин Д. С., Некоркин В. И. Нелинейные динамические модели нейронов: обзор // Известия вузов. ПНД. 2018. Т. 26, № 4. С. 5–58. DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-4-5-58.
  7. FitzHugh R. Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane // Biophysical Journal. 1961. Vol. 1, no. 6. P. 445–466. DOI: 10.1016/S0006-3495(61)86902-6.
  8. Nagumo J., Arimoto S., Yoshizawa S. An active pulse transmission line simulating nerve axon // Proceedings of the IRE. 1962. Vol. 50, no. 10. P. 2061–2070. DOI: 10.1109/JRPROC.1962.288235.
  9. Hodgkin A. L., Huxley A. F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve // The Journal of Physiology. 1952. Vol. 117, no. 4. P. 500–544. DOI: 10.1113/jphysiol.1952.sp004764.
  10. Binczak S., Jacquir S., Bilbault J.-M., Kazantsev V. B., Nekorkin V. I. Experimental study of electrical FitzHugh–Nagumo neurons with modified excitability // Neural Networks. 2006. Vol. 19, no. 5. P. 684–693. DOI: 10.1016/j.neunet.2005.07.011.
  11. Kulminskiy D. D., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Hramov A. E. Synchronization in ensembles of delay-coupled nonidentical neuronlike oscillators // Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 98, no. 1. P. 735–748. DOI: 10.1007/s11071-019-05224-x.
  12. Егоров Н. М., Пономаренко В. И., Сысоев И. В., Сысоева М. В. Имитационное моделирование эпилептиформной активности сетью нейроподобных радиотехнических осцилляторов // Журнал технической физики. 2021. Т. 91, № 3. С. 519–528. DOI: 10.21883/JTF.2021.03. 50532.237-20. 
  13. Егоров Н. М., Пономаренко В. И., Мельникова С. Н., Сысоев И. В., Сысоева М. В. Общность механизмов возникновения безаттракторных колебательных режимов в радиотехнических моделях таламокортикальной сети мозга // Известия вузов. ПНД. 2021. T. 29, № 6. C. 927–942. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-6-927-942.
  14. Egorov N. M., Kulminskiy D. D., Sysoev I. V., Ponomarenko V. I., Sysoeva M. V. Transient dynamics in electronic neuron-like circuits in application to modeling epileptic seizures // Nonlinear Dynamics. 2022. Vol. 108, no. 4. P. 4231–4242. DOI: 10.1007/s11071-022-07379-6.
  15. Капустников А. А., Сысоева М. В., Сысоев И. В. Моделирование пик-волновых разрядов в мозге малыми сетями нейроосцилляторов // Математическая биология и биоинформатика. 2020. Т. 15, № 2. С. 138–147. DOI: 10.17537/2020.15.138.
  16. Kapustnikov A. A., Sysoeva M. V., Sysoev I. V. Transient dynamics in a class of mathematical models of epileptic seizures // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2022. Vol. 109. P. 106284. DOI: 10.1016/j.cnsns.2022.106284.
  17. Egorov N. M., Sysoev I. V., Ponomarenko V. I., Sysoeva M. V. Epileptiform activity generation by an ensemble of complete electronic FitzHugh–Nagumo oscillators connected by a sigmoid couplings // In: Proceedings of SPIE. Vol. 12194. Computational Biophysics and Nanobiophotonics. Bellingham: SPIE, 2022. P. 1219403. DOI: 10.1117/12.2623993.
  18. Egorov N. M., Sysoev I. V., Ponomarenko V. I., Sysoeva M. V. Complex regimes in electronic neuron-like oscillators with sigmoid coupling // Chaos, Solitons & Fractals. 2022. Vol. 160. P. 112171. DOI: 10.1016/j.chaos.2022.112171.
  19. Rabinovich M. I., Zaks M. A., Varona P. Sequential dynamics of complex networks in mind: Consciousness and creativity // Physics Reports. 2020. Vol. 883. P. 1–32. DOI: 10.1016/j.physrep. 2020.08.003.
  20. Wang Q., Perc M., Duan Z., Chen G. Impact of delays and rewiring on the dynamics of smallworld neuronal networks with two types of coupling // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2010. Vol. 389, no. 16. P. 3299–3306. DOI: 10.1016/j.physa.2010.03.031.
  21. Winder S. Analog and Digital Filter Design. 2nd edition. USA: Elsevier, 2002. 458 p. DOI: 10.1016/ B978-0-7506-7547-5.X5000-3.
  22. Banerjee T., Biswas D., Sarkar B. C. Anticipatory, complete and lag synchronization of chaos and hyperchaos in a nonlinear delay-coupled time-delayed system // Nonlinear Dynamics. 2013. Vol. 72, no. 1–2. P. 321–332. DOI: 10.1007/s11071-012-0716-4.
  23. Srinivasan K., Raja Mohamed I., Murali K., Lakshmanan M., Sinha S. Design of time delayed chaotic circuit with threshold controller // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2011. Vol. 21, no. 3. P. 725–735. DOI: 10.1142/S0218127411028751.
  24. Karki J. Active Low-Pass Filter Design. Texas: Texas Instruments, 2000. 24 p.
  25. Cao P., Fan H., Wang D., Shu H., Yang B., Han Y., Dong J. Compensation circuit design for tuned half-wavelength transmission lines based on Bessel filter // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2022. Vol. 134. P. 107335. DOI: 10.1016/j.ijepes.2021.107335.
  26. Buscarino A., Fortuna L., Frasca M., Sciuto G. Design of time-delay chaotic electronic circuits // IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2011. Vol. 58, no. 8. P. 1888–1896. DOI: 10.1109/TCSI.2011.2107190.
  27. Rudy B., Fishell G., Lee S., Hjerling-Leffler J. Three groups of interneurons account for nearly 100% of neocortical GABAergic neurons // Developmental Neurobiology. 2011. Vol. 71, no. 1. P. 45–61. DOI: 10.1002/dneu.20853.
  28. Vinogradova O. S. Hippocampus as comparator: Role of the two input and two output systems of the hippocampus in selection and registration of information // Hippocampus. 2001. Vol. 11, no. 5. P. 578–598. DOI: 10.1002/hipo.1073.
  29. Sysoev I. V., Kornilov M. V., Makarova N. A., Sysoeva M. V., Vinogradova L. V. Modeling limbic seizure initiation with an ensemble of delay coupled neuroscillator // In: Lacarbonara W., Balachandran B., Leamy M. J., Ma J., Tenreiro Machado J. A., Stepan G. (eds) Advances in Nonlinear Dynamics. NODYCON Conference Proceedings Series. Cham: Springer, 2022. P. 73–81. DOI: 10.1007/978-3-030-81170-9_7.
  30. Nelson T. S., Suhr C. L., Freestone D. R., Lai A., Halliday A. J., McLean K. J., Burkitt A. N., Cook M. J. Closed-loop seizure control with very high frequency electrical stimulation at seizure onset in the GAERS model of absence epilepsy // International Journal of Neural Systems. 2011. Vol. 21, no. 2. P. 163–173. DOI: 10.1142/S0129065711002717.
  31. van Heukelum S., Kelderhuis J., Janssen P., van Luijtelaar G., Luttjohann A. Timing of high-frequency cortical stimulation in a genetic absence model // Neuroscience. 2016. Vol. 324. P. 191–201. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2016.02.070.
  32. Lopes da Silva F. Neural mechanisms underlying brain waves: from neural membranes to networks // Electroencephalography and Clinical Neurophysiology. 1991. Vol. 79, no. 2. P. 81–93. DOI: 10.1016/0013-4694(91)90044-5.
  33. Schnitzler A., Gross J. Normal and pathological oscillatory communication in the brain // Nature Reviews Neuroscience. 2005. Vol. 6, no. 4. P. 285–296. DOI: 10.1038/nrn1650.
  34. Benca R., Duncan M. J., Frank E., McClung C., Nelson R. J., Vicentic A. Biological rhythms, higher brain function, and behavior: Gaps, opportunities, and challenges // Brain Research Reviews. 2009. Vol. 62, no. 1. P. 57–70. DOI: 10.1016/j.brainresrev.2009.09.005.
  35. Buzsaki G. Rhythms of the Brain. Oxford: Oxford University Press, 2006. 448 p. DOI: 10.1093/ acprof:oso/9780195301069.001.0001.
  36. Rudrauf D., Douiri A., Kovach C., Lachaux J.-P., Cosmelli D., Chavez M., Adam C., Renault B., Martinerie J., Le Van Quyen M. Frequency flows and the time-frequency dynamics of multivariate phase synchronization in brain signals // NeuroImage. 2006. Vol. 31, no. 1. P. 209–227. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2005.11.021.
  37. Good L. B., Sabesan S., Marsh S. T., Tsakalis K., Treiman D., Iasemidis L. Control of synchronization of brain dynamics leads to control of epileptic seizures in rodents // International Journal of Neural Systems. 2009. Vol. 19, no. 3. P. 173–196. DOI: 10.1142/S0129065709001951.
  38. Paz J. T., Huguenard J. R. Microcircuits and their interactions in epilepsy: is the focus out of focus? // Nature Neuroscience. 2015. Vol. 18, no. 3. P. 351–359. DOI: 10.1038/nn.3950.
  39. Сысоева М. В., Виноградова Л. В., Перескис М., ван Рейн К. М., Сысоев И. В. Выявление изменений направленных межструктурных связей при лимбических судорогах, вызванных введением антагониста эндоканнабиноидных рецепторов, методом нелинейной причинности по Грейнджеру // Журнал высшей нервной деятельности имени И. П. Павлова. 2019. Т. 69, № 6. С. 752–767. DOI: 10.1134/S0044467719060121.
Поступила в редакцию: 
12.10.2022
Принята к публикации: 
10.11.2022
Опубликована онлайн: 
16.12.2022
Опубликована: 
31.01.2023