Для цитирования:
Рябченко А. Д., Рыбалова Е. В., Стрелкова Г. И. Воздействие аддитивного шума на химерные и уединенные состояния в нейронных ансамблях // Известия вузов. ПНД. 2024. Т. 32, вып. 1. С. 121-140. DOI: 10.18500/0869-6632-003083, EDN: YYDPVE
Воздействие аддитивного шума на химерные и уединенные состояния в нейронных ансамблях
Цель. Работа направлена на исследование влияния аддитивного белого гауссовского шума на динамику ансамбля нелокально связанных моделей нейронов, в качестве которых взяты осцилляторы ФитцХью–Нагумо. В таком ансамбле в зависимости от значений параметров связи между парциальными элементами могут наблюдаться различные пространственно-временные структуры (химерные состояния, уединенные состояния, режим сосуществования этих состояний (комбинированная структура)), которые по-разному реагируют на добавление в систему аддитивного шума.
Методы. Для изучения динамики исследуемой сети строятся мгновенные пространственные профили, пространственно-временные диаграммы, проекции многомерных аттракторов, профили средней фазовой скорости, пространственные профили значений коэффициента взаимной корреляции. Также рассчитываются значения усредненного по ансамблю коэффициента взаимной корреляции, среднее количество уединенных узлов и вероятность установления пространственно-временных структур в присутствии аддитивного шума.
Результаты. Показано, что аддитивный шум способен уменьшить вероятность установления режима уединенных состояний и режима комбинированной структуры, при этом вероятность появления только химерных состояний возрастает до 100%. При воздействии шума на ансамбль связанных осцилляторов ФитцХью–Нагумо, находящийся в режиме только уединенных состояний, увеличение интенсивности шума ведет, в общем случае, к уменьшению среднего количества уединенных узлов и интервала значений параметров связи, в котором реализуются уединенные состояния. Однако существует область по параметрам связи парциальных элементов, в которой под воздействием аддитивного шума количество уединенных выбросов увеличивается.
Заключение. Исследовано изменение вероятности установления в ансамбле осцилляторов ФитцХью–Нагумо химерных состояний, уединенных состояний и режима комбинированной структуры, которые наблюдаются в области мультистабильности, под действием аддитивного шума. Показано, что химерные состояния проявляют себя как более устойчивые и доминирующие структуры среди всех остальных, сосуществующих в ансамбле. В то же время вероятность установления только уединенных состояний, область их существования по параметрам связи и количество уединенных узлов, в общем случае, уменьшается с увеличением интенсивности шума.
- Benzi R., Sutera A., Vulpiani A. The mechanism of stochastic resonance // Journal of Physics A: Mathematical and General. 1981. Vol. 14, no. 11. P. L453–L457. DOI: 10.1088/0305- 4470/14/11/006.
- Horsthemke W., Lefever R. Noise-induced transitions in physics, chemistry, and biology // In: Noise-Induced Transitions. Vol. 15 of Springer Series in Synergetics. Berlin, Heidelberg: Springer, 1984. P. 164–200. DOI: 10.1007/3-540-36852-3_7.
- Neiman A. Synchronizationlike phenomena in coupled stochastic bistable systems // Physical Review E. 1994. Vol. 49, no. 4. P. 3484–3487. DOI: 10.1103/PhysRevE.49.3484.
- Arnold L. Random dynamical systems // In: Johnson R. (eds) Dynamical Systems. Vol. 1609 of Lecture Notes in Mathematics. Berlin, Heidelberg: Springer, 1995. P. 1–43. DOI: 10.1007/ BFb0095238.
- Pikovsky A. S., Kurths J. Coherence resonance in a noise-driven excitable system // Physical Review Letters. 1997. Vol. 78, no. 5. P. 775–778. DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.775.
- Анищенко В. С., Нейман А. Б., Мосс Ф., Шиманский-Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка // УФН. 1999. Т. 169, № 1. С. 7–38. DOI: 10.3367/UFNr.0169.199901c.0007.
- Goldobin D. S., Pikovsky A. Synchronization and desynchronization of self-sustained oscillators by common noise // Physical Review E. 2005. Vol. 71, no. 4. P. 045201. DOI: 10.1103/PhysRevE. 71.045201.
- McDonnell M. D., Ward L. M. The benefits of noise in neural systems: bridging theory and experiment // Nature Reviews Neuroscience. 2011. Vol. 12, no. 7. P. 415–425. DOI: 10.1038/nrn3061.
- Schimansky-Geier L., Herzel H. Positive Lyapunov exponents in the Kramers oscillator // Journal of Statistical Physics. 1993. Vol. 70, no. 1–2. P. 141–147. DOI: 10.1007/BF01053959.
- Shulgin B., Neiman A., Anishchenko V. Mean switching frequency locking in stochastic bistable systems driven by a periodic force // Physical Review Letters. 1995. Vol. 75, no. 23. P. 4157–4160. DOI: 10.1103/PhysRevLett.75.4157.
- Arnold L., Namachchivaya N. S., Schenk-Hoppe K. R. Toward an understanding of stochastic Hopf bifurcation: A case study // International Journal of Bifurcation and Chaos. 1996. Vol. 6, no. 11. P. 1947–1975. DOI: 10.1142/S0218127496001272.
- Han S. K., Yim T. G., Postnov D. E., Sosnovtseva O. V. Interacting coherence resonance oscillators // Physical Review Letters. 1999. Vol. 83, no. 9. P. 1771–1774. DOI: 10.1103/PhysRevLett.83.1771.
- Bashkirtseva I., Ryashko L., Schurz H. Analysis of noise-induced transitions for Hopf system with additive and multiplicative random disturbances // Chaos, Solitons & Fractals. 2009. Vol. 39, no. 1. P. 72–82. DOI: 10.1016/j.chaos.2007.01.128.
- Gammaitoni L., Marchesoni F., Menichella-Saetta E., Santucci S. Stochastic resonance in bistable systems // Physical Review Letters. 1989. Vol. 62, no. 4. P. 349–352. DOI: 10.1103/PhysRevLett. 62.349.
- Lindner B., Schimansky-Geier L. Analytical approach to the stochastic FitzHugh-Nagumo system and coherence resonance // Physical Review E. 1999. Vol. 60, no. 6. P. 7270–7276. DOI: 10.1103/PhysRevE.60.7270.
- Kuramoto Y., Battogtokh D. Coexistence of coherence and incoherence in nonlocally coupled phase oscillators // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2002. Vol. 5, no. 4. P. 380–385.
- Abrams D. M., Strogatz S. H. Chimera states for coupled oscillators // Physical Review Letters. 2004. Vol. 93, no. 17. P. 174102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.93.174102.
- Omelchenko I., Maistrenko Y., Hovel P., Scholl E. Loss of coherence in dynamical networks: Spatial chaos and chimera states // Physical Review Letters. 2011. Vol. 106, no. 23. P. 234102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.106.234102.
- Panaggio M. J., Abrams D. M. Chimera states: coexistence of coherence and incoherence in networks of coupled oscillators // Nonlinearity. 2015. Vol. 28, no. 3. P. R67. DOI: 10.1088/0951- 7715/28/3/R67.
- Zakharova A. Chimera Patterns in Networks: Interplay between Dynamics, Structure, Noise, and Delay. Cham: Springer, 2020. 233 p. DOI: 10.1007/978-3-030-21714-3.
- Maistrenko Y., Penkovsky B., Rosenblum M. Solitary state at the edge of synchrony in ensembles with attractive and repulsive interactions // Physical Review E. 2014. Vol. 89, no. 6. P. 060901. DOI: 10.1103/PhysRevE.89.060901.
- Jaros P., Maistrenko Y., Kapitaniak T. Chimera states on the route from coherence to rotating waves // Physical Review E. 2015. Vol. 91, no. 2. P. 022907. DOI: 10.1103/PhysRevE.91.022907.
- Bogomolov S. A., Slepnev A. V., Strelkova G. I., Scholl E., Anishchenko V. S. Mechanisms of appearance of amplitude and phase chimera states in ensembles of nonlocally coupled chaotic systems // Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation. 2017. Vol. 43. P. 25–36. DOI: 10.1016/j.cnsns.2016.06.024.
- Panaggio M. J., Abrams D. M. Chimera states on a flat torus // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110, no. 9. P. 094102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.094102.
- Sawicki J., Omelchenko I., Zakharova A., Scholl E. Chimera states in complex networks: interplay of fractal topology and delay // The European Physical Journal Special Topics. 2017. Vol. 226, no. 9. P. 1883–1892. DOI: 10.1140/epjst/e2017-70036-8.
- Scholl E. Synchronization patterns and chimera states in complex networks: Interplay of topology and dynamics // The European Physical Journal Special Topics. 2016. Vol. 225, no. 6–7. P. 891–919. DOI: 10.1140/epjst/e2016-02646-3.
- Scholl E. Chimeras in physics and biology: Synchronization and desynchronization of rhythms // In: Hacker J., Lengauer T. (Eds.) Zeit in Natur und Kultur: Vortrage anlasslich der Jahresversammlung am 20. und 21. September 2019 in Halle (Saale). Stuttgart: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2021. P. 67–95. DOI: 10.26164/leopoldina_10_00275.
- Semenova N., Zakharova A., Scholl E., Anishchenko V. Does hyperbolicity impede emergence of chimera states in networks of nonlocally coupled chaotic oscillators? // Europhysics Letters. 2015. Vol. 112, no. 4. P. 40002. DOI: 10.1209/0295-5075/112/40002.
- Shima S., Kuramoto Y. Rotating spiral waves with phase-randomized core in nonlocally coupled oscillators // Physical Review E. 2004. Vol. 69, no. 3. P. 036213. DOI:10.1103/PhysRevE.69.036213.
- Ulonska S., Omelchenko I., Zakharova A., Scholl E. Chimera states in networks of Van der Pol oscillators with hierarchical connectivities // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2016. Vol. 26, no. 9. P. 094825. DOI: 10.1063/1.4962913.
- Zakharova A., Kapeller M., Scholl E. Chimera death: Symmetry breaking in dynamical networks // Physical Review Letters. 2014. Vol. 112, no. 15. P. 154101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.154101.
- Menck P. J., Heitzig J., Kurths J., Schellnhuber H. J. How dead ends undermine power grid stability // Nature Communications. 2014. Vol. 5, no. 1. P. 3969. DOI: 10.1038/ncomms4969.
- Motter A. E., Myers S. A., Anghel M., Nishikawa T. Spontaneous synchrony in power-grid networks // Nature Physics. 2013. Vol. 9, no. 3. P. 191–197. DOI: 10.1038/nphys2535.
- Wang B., Suzuki H., Aihara K. Enhancing synchronization stability in a multi-area power grid // Scientific Reports. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 26596. DOI: 10.1038/srep26596.
- Hong S., Chun Y. Efficiency and stability in a model of wireless communication networks // Social Choice and Welfare. 2010. Vol. 34, no. 3. P. 441–454. DOI: 10.1007/s00355-009-0409-1.
- Gonzalez-Avella J. C., Cosenza M. G., San Miguel M. Localized coherence in two interacting populations of social agents // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2014. Vol. 399. P. 24–30. DOI: 10.1016/j.physa.2013.12.035.
- Bansal K., Garcia J. O., Tompson S. H., Verstynen T., Vettel J. M., Muldoon S. F. Cognitive chimera states in human brain networks // Science Advances. 2019. Vol. 5, no. 4. P. eaau8535. DOI: 10.1126/sciadv.aau8535.
- Majhi S., Bera B. K., Ghosh D., Perc M. Chimera states in neuronal networks: A review // Physics of Life Reviews. 2019. Vol. 28. P. 100–121. DOI: 10.1016/j.plrev.2018.09.003.
- Scholl E. Partial synchronization patterns in brain networks // Europhysics Letters. 2022. Vol. 136, no. 1. P. 18001. DOI: 10.1209/0295-5075/ac3b97.
- Levy R., Hutchison W. D., Lozano A. M., Dostrovsky J. O. High-frequency synchronization of neuronal activity in the subthalamic nucleus of parkinsonian patients with limb tremor // J. Neurosci. 2000. Vol. 20, no. 20. P. 7766–7775. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.20-20-07766.2000.
- Rattenborg N. C., Amlaner C. J., Lima S. L. Behavioral, neurophysiological and evolutionary perspectives on unihemispheric sleep // Neurosci. Biobehav. Rev. 2000. Vol. 24, no. 8. P. 817–842. DOI: 10.1016/s0149-7634(00)00039-7.
- Funahashi S., Bruce C. J., Goldman-Rakic P. S. Neuronal activity related to saccadic eye movements in the monkey’s dorsolateral prefrontal cortex // J. Neurophysiol. 1991. Vol. 65, no. 6. P. 1464–1483. DOI: 10.1152/jn.1991.65.6.1464.
- Swindale N. V. A model for the formation of ocular dominance stripes // Proc. R. Soc. Lond. B. 1980. Vol. 208, no. 1171. P. 243–264. DOI: 10.1098/rspb.1980.0051.
- Andrzejak R. G., Rummel C., Mormann F., Schindler K. All together now: Analogies between chimera state collapses and epileptic seizures // Scientific Reports. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 23000. DOI: 10.1038/srep23000.
- Malchow A.-K., Omelchenko I., Scholl E., Hovel P. Robustness of chimera states in nonlocally coupled networks of nonidentical logistic maps // Physical Review E. 2018. Vol. 98, no. 1. P. 012217. DOI: 10.1103/PhysRevE.98.012217.
- Bukh A. V., Slepnev A. V., Anishchenko V. S., Vadivasova T. E. Stability and noise-induced transitions in an ensemble of nonlocally coupled chaotic maps // Regular and Chaotic Dynamics. 2018. Vol. 23, no. 3. P. 325–338. DOI: 10.1134/S1560354718030073.
- Rybalova E. V., Klyushina D. Y., Anishchenko V. S., Strelkova G. I. Impact of noise on the amplitude chimera lifetime in an ensemble of nonlocally coupled chaotic maps // Regular and Chaotic Dynamics. 2019. Vol. 24, no. 4. P. 432–445. DOI: 10.1134/S1560354719040051.
- Rybalova E., Scholl E., Strelkova G. Controlling chimera and solitary states by additive noise in networks of chaotic maps // Journal of Difference Equations and Applications. 2022. P. 1–22. DOI: 10.1080/10236198.2022.2118580.
- Rybalova E., Muni S., Strelkova G. Transition from chimera/solitary states to traveling waves // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2023. Vol. 33, no. 3. P. 033104. DOI: 10.1063/5.0138207.
- Нечаев В. А., Рыбалова Е. В., Стрелкова Г. И. Влияние неоднородности параметров на существование химерных структур в кольце нелокально связанных отображений // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, № 6. С. 943–952. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-6-943-952.
- Nikishina N. N., Rybalova E. V., Strelkova G. I., Vadivasova T. E. Destruction of cluster structures in an ensemble of chaotic maps with noise-modulated nonlocal coupling // Regular and Chaotic Dynamics. 2022. Vol. 27, no. 2. P. 242–251. DOI: 10.1134/S1560354722020083.
- Omelchenko I., Provata A., Hizanidis J., Scholl E., Hovel P. Robustness of chimera states for coupled FitzHugh-Nagumo oscillators // Physical Review E. 2015. Vol. 91, no. 2. P. 022917. DOI: 10.1103/PhysRevE.91.022917.
- Semenova N., Zakharova A., Anishchenko V., Scholl E. Coherence-resonance chimeras in a network of excitable elements // Physical Review Letters. 2016. Vol. 117, no. 1. P. 014102. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.014102.
- Zakharova A., Loos S., Siebert J., Gjurchinovski A., Scholl E. Chimera patterns: influence of time delay and noise // IFAC-PapersOnLine. 2015. Vol. 48, no. 18. P. 7–12. DOI: 10.1016/j.ifacol. 2015.11.002.
- Loos S. A. M., Claussen J. C., Scholl E., Zakharova A. Chimera patterns under the impact of noise // Physical Review E. 2016. Vol. 93, no. 1. P. 012209. DOI: 10.1103/PhysRevE.93.012209.
- Wu H., Dhamala M. Dynamics of Kuramoto oscillators with time-delayed positive and negative couplings // Physical Review E. 2018. Vol. 98, no. 3. P. 032221. DOI: 10.1103/PhysRevE.98.032221.
- Jaros P., Brezetsky S., Levchenko R., Dudkowski D., Kapitaniak T., Maistrenko Y. Solitary states for coupled oscillators with inertia // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2018. Vol. 28, no. 1. P. 011103. DOI: 10.1063/1.5019792.
- Berner R., Polanska A., Scholl E., Yanchuk S. Solitary states in adaptive nonlocal oscillator networks // The European Physical Journal Special Topics. 2020. Vol. 229, no. 12–13. P. 2183– 2203. DOI: 10.1140/epjst/e2020-900253-0.
- Semenova N. I., Rybalova E. V., Strelkova G. I., Anishchenko V. S. “Coherence–incoherence” transition in ensembles of nonlocally coupled chaotic oscillators with nonhyperbolic and hyperbolic attractors // Regular and Chaotic Dynamics. 2017. Vol. 22, no. 2. P. 148–162. DOI: 10.1134/S156035 4717020046.
- Semenova N., Vadivasova T., Anishchenko V. Mechanism of solitary state appearance in an ensemble of nonlocally coupled Lozi maps // The European Physical Journal Special Topics. 2018. Vol. 227, no. 10–11. P. 1173–1183. DOI: 10.1140/epjst/e2018-800035-y.
- Schulen L., Ghosh S., Kachhvah A. D., Zakharova A., Jalan S. Delay engineered solitary states in complex networks // Chaos, Solitons & Fractals. 2019. Vol. 128. P. 290–296. DOI: 10.1016/j.chaos. 2019.07.046.
- Mikhaylenko M., Ramlow L., Jalan S., Zakharova A. Weak multiplexing in neural networks: Switching between chimera and solitary states // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2019. Vol. 29, no. 2. P. 023122. DOI: 10.1063/1.5057418.
- Rybalova E., Anishchenko V. S., Strelkova G. I., Zakharova A. Solitary states and solitary state chimera in neural networks // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2019. Vol. 29, no. 7. P. 071106. DOI: 10.1063/1.5113789.
- Schulen L., Janzen D. A., Medeiros E. S., Zakharova A. Solitary states in multiplex neural networks: Onset and vulnerability // Chaos, Solitons & Fractals. 2021. Vol. 145. P. 110670. DOI: 10.1016/j.chaos.2021.110670.
- Taher H., Olmi S., Scholl E. Enhancing power grid synchronization and stability through time-delayed feedback control // Physical Review E. 2019. Vol. 100, no. 6. P. 062306. DOI: 10.1103/ PhysRevE.100.062306.
- Hellmann F., Schultz P., Jaros P., Levchenko R., Kapitaniak T., Kurths J., Maistrenko Y. Network induced multistability through lossy coupling and exotic solitary states // Nature Communications. 2020. Vol. 11, no. 1. P. 592. DOI: 10.1038/s41467-020-14417-7.
- Berner R., Yanchuk S., Scholl E. What adaptive neuronal networks teach us about power grids // Physical Review E. 2021. Vol. 103, no. 4. P. 042315. DOI: 10.1103/PhysRevE.103.042315.
- Kapitaniak T., Kuzma P., Wojewoda J., Czolczynski K., Maistrenko Y. Imperfect chimera states for coupled pendula // Scientific Reports. 2014. Vol. 4, no. 1. P. 6379. DOI: 10.1038/srep06379.
- Fried I., MacDonald K. A., Wilson C. L. Single neuron activity in human hippocampus and amygdala during recognition of faces and objects // Neuron. 1997. Vol. 18, no. 5. P. 753–765. DOI: 10.1016/s0896-6273(00)80315-3.
- Kreiman G., Koch C., Fried I. Category-specific visual responses of single neurons in the human medial temporal lobe // Nature Neuroscience. 2000. Vol. 3, no. 9. P. 946–953. DOI: 10.1038/78868.
- Rose D. Some reflections on (or by?) grandmother cells // Perception. 1996. Vol. 25, no. 8. P. 881–886. DOI: 10.1068/p250881.
- Quiroga R. Q., Reddy L., Kreiman G., Koch C., Fried I. Invariant visual representation by single neurons in the human brain // Nature. 2005. Vol. 435, no. 7045. P. 1102–1107. DOI: 10.1038/ nature03687.
- Xin Y., Zhong L., Zhang Y., Zhou T., Pan J., Xu N.-L. Sensory-to-category transformation via dynamic reorganization of ensemble structures in mouse auditory cortex // Neuron. 2019. Vol. 103, no. 5. P. 909–921. DOI: 10.1016/j.neuron.2019.06.004.
- Franovic I., Eydam S., Semenova N., Zakharova A. Unbalanced clustering and solitary states in coupled excitable systems // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2022. Vol. 32, no. 1. P. 011104. DOI: 10.1063/5.0077022.
- Rybalova E., Strelkova G. Response of solitary states to noise-modulated parameters in nonlocally coupled networks of Lozi maps // Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science. 2022. Vol. 32, no. 2. P. 021101. DOI: 10.1063/5.0082431.
- Omelchenko I., Omel’chenko O. E., Hovel P., Scholl E. When nonlocal coupling between oscillators becomes stronger: Patched synchrony or multichimera states // Physical Review Letters. 2013. Vol. 110, no. 22. P. 224101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.224101.
- 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.
- 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.
- 592 просмотра