Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden.<br> Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten.<br> Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt.<br> Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag. / The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data.<br> The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences.<br> The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented.<br> For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.<BR> The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences.

In the present dissertation paper we study problems related to synchronization phenomena in the presence of noise which unavoidably appears in real systems. One part of the work is aimed at investigation of utilizing delayed feedback to control properties of diverse chaotic dynamic and stochastic systems, with emphasis on the ones determining predisposition to synchronization. Other part deals with a constructive role of noise, i.e. its ability to synchronize identical self-sustained oscillators. First, we demonstrate that the coherence of a noisy or chaotic self-sustained oscillator can be efficiently controlled by the delayed feedback. We develop the analytical theory of this effect, considering noisy systems in the Gaussian approximation. Possible applications of the effect for the synchronization control are also discussed. Second, we consider synchrony of limit cycle systems (in other words, self-sustained oscillators) driven by identical noise. For weak noise and smooth systems we proof the purely synchronizing effect of noise. For slightly different oscillators and/or slightly nonidentical driving, synchrony becomes imperfect, and this subject is also studied. Then, with numerics we show moderate noise to be able to lead to desynchronization of some systems under certain circumstances. For neurons the last effect means “antireliability” (the “reliability” property of neurons is treated to be important from the viewpoint of information transmission functions), and we extend our investigation to neural oscillators which are not always limit cycle ones. Third, we develop a weakly nonlinear theory of the Kuramoto transition (a transition to collective synchrony) in an ensemble of globally coupled oscillators in presence of additional time-delayed coupling terms. We show that a linear delayed feedback not only controls the transition point, but effectively changes the nonlinear terms near the transition. A purely nonlinear delayed coupling does not affect the transition point, but can reduce or enhance the amplitude of collective oscillations. / In dieser Dissertation werden Synchronisationsphänomene im Vorhandensein von Rauschen studiert. Ein Ziel dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Anwendbarkeit verzögerter Rückkopplung zur Kontrolle von bestimmten Eigenschaften chaotischer oder stochastischer Systeme. Der andere Teil beschäftigt sich mit den konstruktiven Eigenschaften von Rauschen. Insbesondere wird die Möglichkeit, identische selbsterregte Oszillatoren zu synchronisieren untersucht. Als erstes wird gezeigt, dass Kohärenz verrauschter oder chaotischer Oszillatoren durch verzögertes Rückkoppeln kontrolliert werden kann. Es wird eine analytische Beschreibung dieses Phänomens in verrauschten Systemen entwickelt. Außerdem werden mögliche Anwendungen im Zusammenhang mit Synchronisationskontrolle vorgestellt und diskutiert. Als zweites werden Oszillatoren unter dem Einfluss von identischem Rauschen betrachtet. Für schwaches Rauschen und genügend glatte Systeme wird bewiesen, das Rauschen zu Synchronisation führt. Für leicht unterschiedliche Oszillatoren und leicht unterschiedliches Rauschen wird die Synchronisation unvollständig. Dieser Effekt wird auch untersucht. Dann wird mit Hilfe von Numerik gezeigt, dass moderates Rauschen zur Desynchronisierung von bestimmten Systemen führen kann. Dieser Effekt wird auch in neuronalen Oszillatoren untersucht, welche nicht unbedingt Grenzzyklen besitzen müssen. Im dritten Teil wird eine schwache nichtlineare Theorie des Kuramoto-Übergangs, dem Übergang zur kollektiven Synchronisation, in einem Ensemble von global gekoppelten Oszillatoren mit zusätzlichen zeitverzögerten Kopplungstermen entwickelt. Es wird gezeigt, dass lineare Rückkopplung nicht nur den Übergangspunkt bestimmt, sondern auch die nichtlinearen Terme in der Nähe des Übergangs entscheidend verändert. Eine rein nichtlineare Rückkopplung verändert den Übergang nicht, kann aber die Amplitude der kollektiven Oszillationen vergrößern oder verringern.

In the present work synchronization phenomena in complex dynamical systems exhibiting multiple time scales have been analyzed. Multiple time scales can be active in different manners. Three different systems have been analyzed with different methods from data analysis. The first system studied is a large heterogenous network of bursting neurons, that is a system with two predominant time scales, the fast firing of action potentials (spikes) and the burst of repetitive spikes followed by a quiescent phase. This system has been integrated numerically and analyzed with methods based on recurrence in phase space. An interesting result are the different transitions to synchrony found in the two distinct time scales. Moreover, an anomalous synchronization effect can be observed in the fast time scale, i.e. there is range of the coupling strength where desynchronization occurs. The second system analyzed, numerically as well as experimentally, is a pair of coupled CO₂ lasers in a chaotic bursting regime. This system is interesting due to its similarity with epidemic models. We explain the bursts by different time scales generated from unstable periodic orbits embedded in the chaotic attractor and perform a synchronization analysis of these different orbits utilizing the continuous wavelet transform. We find a diverse route to synchrony of these different observed time scales. The last system studied is a small network motif of limit cycle oscillators. Precisely, we have studied a hub motif, which serves as elementary building block for scale-free networks, a type of network found in many real world applications. These hubs are of special importance for communication and information transfer in complex networks. Here, a detailed study on the mechanism of synchronization in oscillatory networks with a broad frequency distribution has been carried out. In particular, we find a remote synchronization of nodes in the network which are not directly coupled. We also explain the responsible mechanism and its limitations and constraints. Further we derive an analytic expression for it and show that information transmission in pure phase oscillators, such as the Kuramoto type, is limited. In addition to the numerical and analytic analysis an experiment consisting of electrical circuits has been designed. The obtained results confirm the former findings. / In der vorliegenden Arbeit wurden Synchronisationsphänomene in komplexen Systemen mit mehreren Zeitskalen untersucht. Es gibt mehrere Möglichkeiten wie diese verschiedenen Zeitskalen vorkommen können. Drei verschiedene Systeme, jedes mit einer anderen Art von zeitlicher Multiskalität, wurden mit unterschiedlichen Methoden der Datenanalyse untersucht. Das erste untersuchte System ist ein ausgedehntes heterogenes Netzwerk von Neuronen mit zwei dominanten Zeitskalen, zum einen die schnelle Folge von Aktionspotenzialen und zum anderen einer abwechselnden Folge von einer Phase von Aktionspotenzialen und einer Ruhephase. Dieses System wurde numerisch integriert und mit Methoden der Phasenraumrekurrenz untersucht. Ein interessantes Ergebnis ist der unterschiedliche Übergang zur Synchronisation der Neuronen auf den beiden verschiedenen Zeitskalen. Des weiteren kann auf der schnellen Zeitskala eine anomale Synchronisation beobachtet werden, d.h. es gibt einen Bereich der Kopplungsstärke in dem es zu einer Desynchronisation kommt. Als zweites wurde, sowohl numerisch als auch experimentell, ein System von gekoppelten CO₂ Lasern untersucht, welche in einem chaotischen bursting Modus arbeiten. Dieses System ist auch durch seine Äquivalenz zu Epidemiemodellen interessant. Wir erklären die Bursts durch unterschiedliche Zeitskalen, welche durch in den chaotischen Attraktor eingebettete instabile periodische Orbits generiert werden. Wir führen eine Synchronisationsanalyse mit Hilfe der kontinuierlichen Wavelettransformation durch und finden einen unterschiedlichen Übergang zur Synchronisation auf den unterschiedlichen Zeitskalen. Das dritte analysierte System ist ein Netzwerkmotiv von Grenzzyklusoszillatoren. Genauer handelt es sich um ein Nabenmotiv, welches einen elementaren Grundbaustein von skalenfreien Netzwerken darstellt, das sind Netzwerke die eine bedeutende Rolle in vielen realen Anwendungen spielen. Diese Naben sind von besonderer Bedeutung für die Kommunikation und den Informationstransport in komplexen Netzwerken. Hierbei wurde eine detaillierte Untersuchung des Synchronisationsmechanismus in oszillatorischen Netzwerken mit einer breiten Frequenzverteilung durchgeführt. Insbesondere beobachten wir eine Fernsynchronisation von Netzwerkknoten, die nur indirekt über andere Oszillatoren miteinander gekoppelt sind. Wir erklären den zu Grunde liegenden Mechanismus und zeigen dessen Grenzen und Bedingungen auf. Des weiteren leiten wir einen analytischen Ausdruck für den Mechanismus her und zeigen, dass eine Informationsübertragung in reinen Phasenoszillatoren, wie beispielsweise vom Kuramototyp, eingeschränkt ist. Diese Ergebnisse konnten wir durch Experimente mit elektrischen Schaltkreisen bestätigen.

In dieser Arbeit werden die Effekte der Synchronisation nichtlinearer, akustischer Oszillatoren am Beispiel zweier Orgelpfeifen untersucht. Aus vorhandenen, experimentellen Messdaten werden die typischen Merkmale der Synchronisation extrahiert und dargestellt. Es folgt eine detaillierte Analyse der Übergangsbereiche in das Synchronisationsplateau, der Phänomene während der Synchronisation, als auch das Austreten aus der Synchronisationsregion beider Orgelpfeifen, bei verschiedenen Kopplungsstärken. Die experimentellen Befunde werfen Fragestellungen nach der Kopplungsfunktion auf. Dazu wird die Tonentstehung in einer Orgelpfeife untersucht. Mit Hilfe von numerischen Simulationen der Tonentstehung wird der Frage nachgegangen, welche fluiddynamischen und aero-akustischen Ursachen die Tonentstehung in der Orgelpfeife hat und inwiefern sich die Mechanismen auf das Modell eines selbsterregten akustischen Oszillators abbilden lässt. Mit der Methode des Coarse Graining wird ein Modellansatz formuliert. / In this study, synchronization properties observed in a system of nonlinear acoustic oscillators in form of two coupled organ pipes are investigated. From given measurements we extract the effects of synchronization one would expect typically. Furthermore we set our focus to the domains of transition into the synchronization region, when the system is complete synchronized and when it tears off, under the condition of different coupling strengths. We analyze and discuss the observed phenomena concerning their nonlinearities. Using numerical, fluid-dynamic and aeroacoustic simulation techniques we investigate how an organ pipe can be understand as a self-sustained, acoustic oscillator. With the results of the numerical simulations we show, how to reduce the complex fluid-dynamical interplay with the acoustic field inside the pipe to a self-sustained acoustic oscillator. For this process we use the coarse graining method.

Multimedia' nature of an application refers to the presence of several media streams in parallel. Whether it is receiving real-time data or retrieving stored data, there exists an end-to-end delay in data transfer from source to destination over the network. This delay experienced can be split into a fixed part and a variable part. Data processing time like coding and decoding at the source and destination are the fixed delays experienced. The variable delay occurs mainly due to queuing at the intermediate nodes during its flow through the network. The variable or unequal delays introduce gaps or discontinuities within a stream. In multi-stream applications where each stream may flow on different routes based on the bandwidth availability experiencing different delays, mismatch between them can also occur. These discontinuities and skews result in poor quality of playout. Clock drift and variations in drift rates between the source/s and destination/s, clock also lead to poor quality of play out. To eliminate these skews and discontinuities, there must be mechanisms, viz., and synchronisation services to convey, reintroduce and maintain the temporal relationship between the media streams for presentation throughout the playout, at the destination. The reintroduction of this lost temporal relationship within a stream and between various media streams for presentation at the destination is the object of multimedia synchronisation and is the subject matter of this thesis. In the presence of synchronised clocks, the main cause of asynchronies between media streams is the difference in delays experienced and the jitter. In this work, to convey the temporal relationship between streams of an application to the playout site, each stream is assigned a priority л, based on its importance to the user. The media streams are then divided into synchronisation units called 'Groups' based on that stream's characteristics which has the highest priority л. A group may therefore consist of one video frame and other data which were generated in that interval. Or may consist of silence and talk-spurt periods of the voice stream with data units of other streams generated in the same interval. Since the quality of playout of temporally related delay-sensitive streams depends upon the delay-experienced, the concept of QoS can be extended to describe the presentation requirements of uch data. Depending on the user perception and the delay experienced, an application can have a range of playout times, giving the best performance. The presentation of many real-time applications can be considered satisfactory even when the delay bound is exceeded by a small amount for a short period of time under varying network conditions. This property can be exploited by defining two sets of QoS parameters, namely QoS optimum and QoSlimit for each real-time application. As the delay and its variations increase, the optimum playout time range decreases. QoS optimum specifies the performance parameters required to perceive 'realtime'. Multimedia data can be played out at its QoSlimit with a deterioration in quality under poor network conditions still maintaining the synchronisation between streams. To control the playout at two levels of QoS, and maintain intra-media and inter-media synchronisation, stream controllers and super stream controllers have been used. The dynamic delay compensation algorithm and synchronisation services were simulated using network delay models and performances studied. It is shown that the proposed algorithm not only synchronised media streams and smoothened jitter but also optimised buffer space and buffer occupancy time while meeting the desired quality of service requirements

<p>The basal ganglia form an important structure centrally placed in the brain. They receive input from motor, associative and limbic areas, and produce output mainly to the thalamus and the brain stem. The basal ganglia have been implied in cognitive and motor functions. One way to understand the basal ganglia is to take a look at the diseases that affect them. Both Parkinson's disease and Huntington's disease with their motor problems are results of malfunctioning basal ganglia. There are also indications that these diseases affect cognitive functions. Drug addiction is another example that involves this structure, which is also important for motivation and selection of behaviour.</p><p>In this licentiate thesis I am laying the groundwork for a detailed model of the striatum, which is the input stage of the basal ganglia. The striatum receives glutamatergic input from the cortex and thalamus, as well as dopaminergic input from substantia nigra. The majority of the neurons in the striatum are medium spiny (MS) projection neurons that project mainly to globus pallidus but also to other neurons in the striatum and to both dopamine producing and GABAergic neurons in substantia nigra. In addition to the MS neurons there are fast spiking (FS) interneurons that are in a position to regulate the firing of the MS neurons. These FS neurons are few, but connected into large networks through electrical synapses that could synchronise their effect. By forming strong inhibitory synapses on the MS neurons the FS neurons have a powerful influence on the striatal output. The inhibitory output of the basal ganglia on the thalamus is believed to keep prepared motor commands on hold, but once one of them is disinhibited, then the selected motor command is executed. This disinhibition is initiated in the striatum by the MS neurons.</p><p>Both MS and FS neurons are active during so called up-states, which are periods of elevated cortical input to striatum. Here I have studied the FS neurons and their ability to detect such up-states. This is important because FS neurons can delay spikes in MS neurons and the time between up-state onset and the first spike in the MS neurons is correlated with the amount of calcium entering the MS neuron, which in turn might have implications for plasticity and learning of new behaviours. The effect of different combinations of electrical couplings between two FS neurons has been tested, where the location, number and strength of these gap junctions have been varied. I studied both the ability of the FS neurons to fire action potentials during the up-state, and the synchronisation between neighbouring FS neurons due to electrical coupling. I found that both proximal and distal gap junctions synchronised the firing, but the distal gap junctions did not have the same temporal precision. The ability of the FS neurons to detect an up-state was affected by whether the neighbouring FS neuron also received up-state input or not. This effect was more pronounced for distal gap junctions than proximal ones, due to a stronger shunting effect of distal gap junctions when the dendrites were synaptically activated.</p><p>We have also performed initial stochastic simulations of the Ca²⁺-calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII). The purpose here is to build the knowledge as well as the tools necessary for biochemical simulations of intracellular processes that are important for plasticity in the MS neurons. The simulated biochemical pathways will then be integrated into an existing model of a full MS neuron. Another venue to explore is to build striatal network models consisting of MS and FS neurons and using experimental data of the striatal microcircuitry. With these different approaches we will improve our understanding of striatal information processing.</p>

<p>The olfactory system is believed to be the oldest sensory system. It developed to detect and analyse chemical information in the form of odours, and its organisation follows the same principles in almost all living animals - insects as well as mammals. Likely, the similarities are due to parallel evolution - the same type of organisation has arisen more than once. Therefore, the olfactory system is often assumed to be close to optimally designed for its tasks. Paradoxically, the workings of the olfactory system are not yet well known, although several milestone discoveries have been made during the last decades. The most well-known is probably the disovery of the olfactory receptor gene family, announced in 1991 by Linda Buck and Richard Axel. For this and subsequent work, they were awarded a Nobel Prize Award in 2004. This achievement has been of immense value for both experimentalists and theorists, and forms the basis of the current understanding of olfaction. The olfactory system has long been a focus for scientific interest, both experimental and theoretical. Ever since the field of computational neuroscience was founded, the functions of the olfactory system have been investigated through computational modelling. In this thesis, I present the basis of a biologically realistic model of the olfactory system. Our goal is to be able to represent the whole olfactory system. We are not there yet, but we have some of the necessary building blocks; a model of the input from the olfactory receptor neuron population and a model of the olfactory bulb. Taking into account the reported variability of geometrical, electrical and receptor-dependent neuronal characteristics, we have been able to model the frequency response of a population of olfactory receptor neurons. By constructing several olfactory bulb models of different size, we have shown that the size of the bulb network has an impact on its ability to process noisy information. We have also, through biochemical modelling, investigated the behaviour of the enzyme CaMKII which is known to be critical for early olfactory adaptation (suppression of constant odour stimuli).</p> / <p>Luktsystemet anses allmänt vara det äldsta sensoriska systemet. Det utvecklades för att upptäcka och analysera kemisk information i form av lukter, och det är organiserat efter samma principer hos nästan alla djurarter: insekter så väl som däggdjur. Troligen beror likheterna på parallell evolution -- samma organisation har uppstått mer än en gång. Därför antas det ofta att luktsystemet är nära optimalt anpassat för sina arbetsuppgifter. Paradoxalt nog är luktsystemets arbetssätt ännu inte väl känt, även om flera banbrytande framsteg gjorts de senaste decennierna. Det mest välkända är nog upptäckten av genfamiljen av luktreceptorer, som tillkännagavs 1991 av Linda Buck och Rikard Axel. För detta och efterföljande arbete belönades de med Nobelpriset år 2004. Upptäckten har varit mycket värdefull för både experimentalister och teoretiker, och formar grunden för vår nuvarande förståelse av luktsystemet. Luktsystemet har länge varit ett fokus för vetenskapligt intresse, både experimentellt och teoretiskt. Ända sedan fältet beräkningsbiologi grundades har luktsystemet undersökts genom datormodellering. I denna avhandling presenterar jag grunden för en biologiskt realistisk modell av luktsystemet. Vårt mål är att kunna representera hela luktsystemet. Så långt har vi ännu inte nått, men vi har några av de nödvändiga byggstenarna: en modell av signalerna från populationen av luktreceptorceller, och en modell av luktbulben. Genom att ta hänsyn till nervcellernas rapporterade variationer i geometriska, elektriska och receptor-beroende karaktärsdrag har vi lyckats modellera svarsfrekvenserna från en population av luktreceptorceller. Genom att konstruera flera olika stora modeller av luktbulben har vi visat att storleken på luktbulbens cellnätverk påverkar dess förmåga att behandla brusig information. Vi har också, genom biokemisk modellering, undersökt beteendet hos enzymet CaMKII, som är kritiskt viktigt för adaptering (undertryckning av ständigt närvarande luktstimuli) i luktsystemet.</p>

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'optimisation de la structure et de la commande de systèmes d'émulation de puissance, appelés Charges Actives. Afin de présenter de très bonnes performances dynamiques ainsi qu'une très grande robustesse, ces Charges Actives utilisent des modulateurs et régulateurs de courant (MRC) et de tension (MRT). Ces procédés font partie de la classe des régulateurs auto-oscillant et sont donc par nature fortement non-linéaires. Aussi, pour que leur application à la Charge Active soit optimale, le premier point abordé dans ce mémoire traite de la modélisation de ces régulateurs et de l'identification des différents problèmes éventuels, inhérents à leurs non-linéarités. Il est alors apparut que des phénomènes de synchronisation et d'instabilité de la fréquence de commutation peuvent apparaître si certaines conditions ne sont pas respectées. Le second point abordé est la généralisation de ces procédés de modulation à des systèmes quelconques, basée sur une méthode de synthèse en mode de glissement. De cette étude, une nouvelle structure de modulation et de régulation de tension est proposée, permettant de répondre plus efficacement aux problématiques posées par la Charge Active. Les résultats expérimentaux obtenus sur un prototype de Charge Active montrent les très grandes performances de ce nouveau procédé, contribuant ainsi à l'amélioration de la qualité et de la précision des anciennes et nouvelles générations de Charges Actives.

Dans ce travail, nous nous intéressons au problème du codage canal, dont le but est de corriger les erreurs dûes au canal lors d'une transmission numérique. En particulier, les turbo codes constituent la dernière avancée dans ce domaine et atteignent la borne prédite par C.E. Shannon en 1948. Nous présentons une simplification de la mise en oeuvre du turbo décodeur de R. Pyndiah, ainsi que des systèmes de synchronisation profitant des informations apportées par le turbo décodeur.

Thèse de doctorat--Électronique et communications--Paris--ENST, 2004. / Notes bibliogr. Résumé en français et en anglais.