Nichtlineare multistabile Systeme unter dem Einfluss von Rauschen weisen vielschichtige dynamische Eigenschaften auf. <br /> Ein mittleres Rauschlevel zeitigt ein Springen zwischen den metastabilen Zustaenden. <br /> Dieser “attractor-hopping” Prozess ist gekennzeichnet durch laminare Bewegung in der Naehe von Attraktoren und erratische Bewegung, die sich auf chaotischen Satteln abspielt, welche in die fraktalen Einzugsgebietsgrenzen eingebettet sind. Er hat rauschinduziertes Chaos zur Folge. <br /> Bei der Untersuchung der dissipativen Standardabbildung wurde das Phaenomen der Praeferenz von Attraktoren durch die Wirkung des Rauschens gefunden. Dies bedeutet, dass einige Attraktoren eine groessere Wahrscheinlichkeit erhalten aufzutreten, als dies fuer das rauschfreie System der Fall waere. Bei einer bestimmten Rauschstaerke ist diese Bevorzugung maximal. <br /> Andere Attraktoren werden aufgrund des Rauschens weniger oft angelaufen. Bei einer entsprechend hohen Rauschstaerke werden sie komplett ausgeloescht. <br /> Die Komplexitaet des Sprungprozesses wird fuer das Modell zweier gekoppelter logistischer Abbildungen mit symbolischer Dynamik untersucht. <br /> Bei Variation eines Parameters steigt an einem bestimmten Wert des Parameters die topologische Entropie steil an, die neben der Shannon Entropie als Komplexitaetsmass verwendet wird. Dieser Anstieg wird auf eine neuartige Bifurkation von chaotischen Satteln zurueckgefuehrt, die in einem Verschmelzen zweier Sattel besteht und durch einen “Snap-back”-Repellor vermittelt wird. <br /> Skalierungsgesetze sowohl der Verweilzeit auf einem der zuvor getrennten Teile des Sattels als auch des Wachsens der fraktalen Dimension des entstandenen Sattels beschreiben diese neuartige Bifurkation genauer. <br /> Wenn ein chaotischer Sattel eingebettet in der offenen Umgebung eines Einzugsgebietes eines metastabilen Zustandes liegt, fuehrt das zu einer deutlichen Senkung der Schwelle des rauschinduzierten Tunnelns. <br /> Dies wird anhand der Ikeda-Abbildung, die ein Lasersystem mit einer zeitverzoegerden Interferenz beschreibt, demonstriert. Dieses Resultat wird unter Verwendung der Theorie der Quasipotentiale erzielt. <br /> Sowohl dieser Effekt, die Senkung der Schwelle für rauschinduziertes Tunneln aus einem metastabilen Zustand durch einen chaotischen Sattel, als auch die beiden Skalierungsgesteze sind von experimenteller Relevanz. / Nonlinear multistable systems under the influence of noise exhibit a plethora of interesting dynamical properties. A medium noise level causes hopping between the metastable states. This attractorhopping process is characterized through laminar motion in the vicinity of the attractors and erratic motion taking place on chaotic saddles, which are embedded in the fractal basin boundary. This leads to noise-induced chaos. The investigation of the dissipative standard map showed the phenomenon of preference of attractors through the noise. It means, that some attractors get a larger probability of occurrence than in the noisefree system. For a certain noise level this prefernce achieves a maximum. Other attractors are occur less often. For sufficiently high noise they are completely extinguished. The complexity of the hopping process is examined for a model of two coupled logistic maps employing symbolic dynamics. With the variation of a parameter the topological entropy, which is used together with the Shannon entropy as a measure of complexity, rises sharply at a certain value. This increase is explained by a novel saddle merging bifurcation, which is mediated by a snapback repellor. Scaling laws of the average time spend on one of the formerly disconnected parts and of the fractal dimension of the connected saddle describe this bifurcation in more detail. If a chaotic saddle is embedded in the open neighborhood of the basin of attraction of a metastable state, the required escape energy is lowered. This enhancement of noise-induced escape is demonstrated for the Ikeda map, which models a laser system with time-delayed feedback. The result is gained using the theory of quasipotentials. This effect, as well as the two scaling laws for the saddle merging bifurcation, are of experimental relevance.

Marburg, Univ., Diss., 2004.

We study the geometric and topological properties of strange non-chaotic attractors created in non-smooth saddle-node bifurcations of quasiperiodically forced interval maps. By interpreting the attractors as limit objects of the iterates of a continuous curve and controlling the geometry of the latter, we determine their Hausdorff and box-counting dimension and show that these take distinct values. Moreover, the same approach allows us to describe the topological structure of the attractors and to prove their minimality.

Signalverarbeitung im Nervensystem hängt sowohl von der Netzwerkstruktur, als auch den zellulären Eigenschaften der Nervenzellen ab. In dieser Abhandlung werden zwei zelluläre Eigenschaften im Hinblick auf ihre funktionellen Anpassungsmöglichkeiten untersucht: Es wird gezeigt, dass neuronale Morphologie die Signalweiterleitung unter Berücksichtigung energetischer Beschränkungen verstärken kann, und dass selbst kleine Änderungen in biophysikalischen Parametern die Aktivierungsbifurkation in Nervenzellen, und damit deren Informationskodierung, wechseln können. Im ersten Teil dieser Abhandlung wird, unter Verwendung von mathematischen Modellen und Daten, die Hypothese aufgestellt, dass Energie-effiziente Signalweiterleitung als starker Evolutionsdruck für unterschiedliche Zellkörperlagen bei Nervenzellen wirkt. Um Energie zu sparen, kann die Signalweiterleitung vom Dendrit zum Axon verstärkt werden, indem relativ kleine Zellkörper zwischen Dendrit und Axon eingebaut werden, während relativ große Zellkörper besser ausgelagert werden. Im zweiten Teil wird gezeigt, dass biophysikalische Parameter, wie Temperatur, Membranwiderstand oder Kapazität, den Feuermechanismus des Neurons ändern, und damit gleichfalls Aktionspotential-basierte Informationsverarbeitung. Diese Arbeit identifiziert die sogenannte "saddle-node-loop" (Sattel-Knoten-Schlaufe) Bifurkation als den Übergang, der besonders drastische funktionale Auswirkungen hat. Neben der Änderung neuronaler Filtereigenschaften sowie der Ankopplung an Stimuli, führt die "saddle-node-loop" Bifurkation zu einer Erhöhung der Netzwerk-Synchronisation, was möglicherweise für das Auslösen von Anfällen durch Temperatur, wie bei Fieberkrämpfen, interessant sein könnte. / Signal processing in nervous systems is shaped by the connectome as well as the cellular properties of nerve cells. In this thesis, two cellular properties are investigated with respect to the functional adaptations they provide: It is shown that neuronal morphology can improve signal transmission under energetic constraints, and that even small changes in biophysical parameters can switch spike generation, and thus information encoding. In the first project of the thesis, mathematical modeling and data are deployed to suggest energy-efficient signaling as a major evolutionary pressure behind morphological adaptations of cell body location: In order to save energy, the electrical signal transmission from dendrite to axon can be enhanced if a relatively small cell body is located between dendrite and axon, while a relatively large cell body should be externalized. In the second project, it is shown that biophysical parameters, such as temperature, membrane leak or capacitance, can transform neuronal excitability (i.e., the spike onset bifurcation) and, with that, spike-based information processing. This thesis identifies the so-called saddle-node-loop bifurcation as the transition with particularly drastic functional implications. Besides altering neuronal filters and stimulus locking, the saddle-node-loop bifurcation leads to an increase in network synchronization, which may potentially be relevant for the initiation of seizures in response to increased temperature, such as during fever cramps.