Hodgkin-Huxley nöronlarında ani yükseliş ve fırlama dinamiklerinin kontrolü


Borısenok S. (Executive)

TUBITAK Project, 2016 - 2018

  • Project Type: TUBITAK Project
  • Begin Date: July 2016
  • End Date: January 2018

Project Abstract

Ani yükselen nöronları içeren ağlar, pek çok örüntü tanıma ve hesaplamalı nörobilim uygulamalarında önemli bir rol oynamaktadır. Modern deneysel bilim, biyolojik nöronların dinamiklerinin manipülasyonunda büyük bir ilerleme göstermektetir. Fakat tek hücrenin ve kollektif ani yükseliş ve fırlama ile ilgili doğrusal olmayan davranışlarının kontrolünün matematiksel modellemesindeki yüksek boyutlu dinamik sistemler için teoretik algoritmaların geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır.

Projenin amacı, biyolojik nöronları modelleyen dört boyutlu dinamik sistemlerin ani yükseliş ve fırlama dinamiklerini tasarlamak için matematiksel kontrol algoritmalarını etkili, analitik ve sayısal uygulamalı geliştirmektir.

Bu amaç için, deneysel olarak en çok kabul edilen ve nöronların matematiksel modellemesi için gerçekçi olan dört boyutlu Hodgkin-Huxley (HH) doğrusal olmayan dinamik sistemi seçilmiştir. Membran aksiyon potansiyelleri sistem çıkışı olması rağmen, nöronal kümelerde dolaşan elektrik akımları kontrol sinyali olarak hizmet etmektedir.

Özgünlük: İlk defa HH modelindeki keyfi ani yükseliş ve fırlama rejimlerini tasarlamak ve onu nöron popülasyonların dinamik davranışı üzerinde uygulamak için geribeslemeli kontrol kullanmaktır. Bunun için iki alternative kontrol metodu kullanılır: hız gradyanı (SG) ve hedef çekicisi (TA) geribeslemeli kontrol. Son zamanlarda ispat ettiğimiz gibi, her iki metot dayankı-ve-yangın nöronların basitleştirilmiş iki boyutlu modellerinde dinamik davranışlarını kontrol etmek için yüksek verimlilik ve dayanıklılık göstermektedir.

Projenin beklenen ana sonuçları aşağıdaki gibi özetlenebilir:

1.      Tek HH nöronunda ani yükseliş ve fırlama kontrolü için önerilen geribesleme algoritmaları netkinliğini sınamak;

2.      Toplu fırlama fenomeninin sürülmesi için nöron kümelerinin temel konfigürasyonları (zincir , üçgen , dikdörtgen)  için yaklaşım uygulamak;

3.      Bu projede elde edilecek sonuçların, literatürde tarifli tek biyolojik nöronları ve küçük nöronal kümelerindeki ani yükselişlerin sürümü üzerine yapılan deneysel çalışmalarla karşılaştırılması.

Projenin beklenilen çıktıları:

1.      HH modelinde ani yükseliş veya fırlama aksiyon potansiyal işaretleri için SG ve TA izleme algoritmaları ile rastgele hedef şekilerini yeniden üretebilme yeteneğine sahip olmak;

2.      SG ve TA izleme algoritmaları ile HH nöronal kümelerin doğrusal zincirindeki hedef toplu ani yükseliş ve fırlama rejimlerinin tasarlama yeteneğine sahip olmak;

3.      SG ve TA izleme algoritmaları ile HH nöronal kümelerin temel yapılandırmasındaki hedef toplu ani yükseliş ve fırlama rejimlerinin tasarlama yeteneğine sahip olmak;

4.      HH nöronal kümelerinin temel yapılandırmasındaki hedef toplu ani yükseliş ve fırlama rejimlerinin tasarımı için etkili bir algoritma geliştirilmesi;

5.      Etki değeri yüksek, hakemli dergilerde araştırma makalelerinin yayınlanması;

6.      Uluslararası bilimsel konferanslarda önerilen projenin sonuçlarının sunumu;

7.      Projeye katılan bir doktora sonrası öğrencisinin araştırma becerisinin geliştirilmesi.

Beklenen etkiler. Projede geliştirilecek detaylı analitik ve sayısal modeller ve sayısal çözümler aşağıdaki etkileri sağlayacaktır:

·        biyolojik nöronal ağlarda ani yükseliş ve fırlama mekanizmaları için çalışan etkin bir araç;

·        biyolojik nöronal ağlarda gerçek zamanlı kontrolünün pratiksel gerçeklenmesi için teorik bir temel;

·        Josephson eklem sistemine dayalı kuantum nöronu modelinin kontrol dinamiklerini tasarımı için yeni bir TÜBİTAK araştırma projesinin geliştirilmesine alt yapı sağlama;

Böylece, proje biyolojik nöronların matematiksel modelleri için uygulanan kontrol teorisinde uygun bir yer edinebilir ve Hodgkin - Huxley nöronal ağlarının temel küme yapılarındaki isteğe bağlı ani yükseliş veya fırlama rejiminin etkin üretme için özgün bir araç geliştirmektir.