Synchronisation schwach gekoppelter Oszillatoren II: Biologische Anwendungen

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Synchronisation schwach gekoppelter Oszillatoren
II Biologische Anwendungen

• David Feess

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Millennium Bridge
Video
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Modell der Brücke

• Gedämpfter harmonischer Oszillator

• Bestimmung der Parameter
• M Masse
• B Dämpfung
• K Steifheit
• Einfluss der Fußgänger?

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Modellierung der Fußgänger
Periodische Kraft F auf die Brücke
G Amplitude T(t) Phase
Also
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Einfluss der Brücke auf Fußgänger
O Eigenfrequenz Fußgänger ? Phase Brücke A
Amplitude Brückenschwingung C Sensibilität
a Phasedifferenz
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Der letzte Parameter

• C unbekannt ? Tests auf der Brücke

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Ergebnisse
Experiment
Simulation

• Übereinstimmung in
• Schwingungsamplitude
• Anzahl Fußgänger
• Zeitskala

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Gangarten
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Netzwerke identischer Oszillatoren

• Gliedmaße zu komplex, keine Kupplung
• Aber Steuerung durch Neuronen
• Welche Synchronisationsmuster sind möglich?

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Zwei Oszillatoren
Phasendifferenz p
Phasendifferenz 0
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Zwei Oszillatoren
Phasendifferenz p
Phasendifferenz 0
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Und so weiter
0,0,p,p
0,p,0,p
0,p,p,0
Gazelle
0,0,0,0
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Also?

• Gangarten entsprechen Synchronisationsmustern
• Hypothese Netzwerke gekoppelter Neuronen
  erzeugen Bewegung
• Einfache Erklärung verschiedener Gangarten

Pferd
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Kleine Fingerübung

• Phasendifferenz

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Noch ein Schritt weiter

• Kopplung der Atmung an die Bewegung

Gans im Flug 31
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• Vierbeiner meist 11
• Menschen meist 21
• aber auch 41, 31, 52, 32
• Noch weiter Kopplung von Atmung, Bewegung und
  Herzschlag
• Offene Frage Leistungssteigerung oder
  irrelevante physiologische Konsequenz?

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Integrate and Fire

• Herzschlag (Schrittmacher-Zellen)
• Grillen
• Glühwürmchen
• Neuronen

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Toy Model

• Langsam Volllaufen
• Schnell Feuern
• Feuern beeinflusst restliche Population

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Periodische Störungen im Modell

• Pulsartige Zugabe von Wasser

• Synchronisation nach wenigen Zyklen
• neue Frequenz
• Stabil bei kleinen Parameteränderungen

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Periodische Störung im Experiment

• Periodische Impulse am Herz eines Kükens

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Erinnerung Arnold-Zungen
Parameterbereiche, in denen Synchronisation
möglich ist
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Arnold-Zungen bei Integrate-and-Fire Dynamik
Modulation des threshold
Periodische Änderung des threshold
Steigung der Aktivität
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Fireflies in vivo
Video
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Theorien

• Anführer-Glühwürmchen (maestro firefly)
• Äußere Einflüsse (Wind, Dunkelheit, Blitze)
• Optische Täuschung (Zwinkern)

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Divide and Conquer

• Isolation ? rhythmisches Blitzen
• Stimulation ? passt Rhythmus an
• Anpassung gehorcht einfachen Regeln

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Zusammenspiel größerer Populationen
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Simulation 1965
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(No Transcript)
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Zusammenhang zwischen alter und neuer Phase

• In biologischen Systemen
• Leichter Stimulus ? Leichter Phasenshift
• Sehr starker Stimulus ? konstante neue Phase
• (erinnere Toy Model)

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Zusammenhang zwischen alter und neuer Phase

• Wie kann die Fläche möglichst nahtlos gefüllt
  werden?

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Phasensingularität
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Screw surface
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Beispiel Taufliegen

• Larven der Dunkelheit aussetzen
• Stimulation durch Licht
• Einschaltzeitpunkt Alte Phase
• Impulsdauer Stärke des Stimulus
• Zeit bis zum Schlüpfen Neue Phase

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Phasensingularität

• Beobachtet bei Neuronen, Herz, Pflanzen
• Anhalten der (robusten) biologischen Uhr durch
  mittelstarken Impuls
• Biochemie dieses Vorgangs?

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Anwendung
Offene Frage Wie kommt man gezielt aus der
Singularität heraus?

• Jetlag
• Rhythmusstörungen
• Medikamente allgemein
• sanfter Defibrillator

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Tagesrhythmen

• Hormonsekretion
• Schlafen
• Essen
• Lymphozytenkonzentration
• Schrittmacher Suprachiasmatischer Nucleus

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(No Transcript)
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Menstruationszyklus
Close female friends share everything from
clothing to secrets

• Synchronisation festgestellt u.A. bei 137 jungen
  Frauen in einem Wohnheim
• Keine Synchronisation bei einem Basketballteam
• Kopplung?
• Menstruationszyklus Hormonzyklus
• ? Pheromone

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Luchspopulation in Kanada
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Synchronisation verschiedener Regionen

• Ähnliche äußere Einflüsse
• Wanderung