Dynamics and Synchronization of Motifs of Neuronal Populations in the Presence of Delayed Interactions

Abstract

Aquesta tesi estudia les propietats de sincronització de motius de neurones o poblacions de neurones acoblats amb retard. S'ha trobat que dos elements indirectament connectats de forma bidireccional a través d'un mediador de retransmissió dinàmica poden sincronitzar robustament la seva activitat a retard zero. L'efecte és estudiat en circuits especialment ben coneguts del cervell: xarxes corticals, circuits talamo-corticals i xarxes hipocampo-corticals. Els fonaments del mecanisme s'atribueixen a la influència de fonts ressonants: un parell d'elements directament acoblats bidireccionalment. En la presència de latència no negligible, la parella acoblada tendeix a sincronitzar en anti-fase. Aquesta propietat prevalent, intrínsecament dota a cada element amb una capacitat potencial de induir òptimament una sincronització isocrònica entre dos elements comunament conduïts. Aquest efecte, anomenat Sincronització Induïda per Ressonància, s'observa consistentment en diversos sistemes, sempre que hi hagi absència de frustració geomètrica en l'arquitectura estructural

Esta tesis estudia las propiedades de sincronización de motivos de neuronas, o de las poblaciones neuronales, acopladas con un cierto retraso. Se ha encontrado que dos elementos indirectamente conectados de forma bidireccional, a través de un mediador dinámico, pueden sincronizar de forma robusta sus actividades a tiempo cero. El efecto se estudia en circuitos del cerebro que se sabe juegan un papel fundamental: las redes corticales, circuitos tálamo-corticales y las redes hipocampo-corteza. Los fundamentos del mecanismo se atribuyen a la influencia de las fuentes de resonancia: un par de elementos bidireccionalmente acoplados. En presencia de tiempos de latencia no despreciable, el par de neuronas o poblaciones de neuronas acopladas tiende a sincronizar en oposición de fase. Esta característica predominante intrínsecamente dota a cada uno de los elementos con una capacidad potencial de inducir, de manera óptima, sincronización isócrona entre los elementos comúnmente dirigidos. Esta sincronización inducida por resonancia se observa consistentemente en varios sistemas, cuando ocurre que la frustración geométrica está ausente de la arquitectura estructural.

This thesis studies the synchronization properties of delay-coupled motifs of neurons or neuronal populations. It is found that two elements indirectly bidirectional-connected through a dynamical-relaying mediator can robustly synchronize their activity at zero-lag. The effect is studied in special well-known circuits of the brain: cortical networks, thalamocortical circuits, and hippocampal-cortical networks. The foundations of the mechanism are ascribed to the influence of resonant sources: a pair of directly bidirectional-coupled elements. In the presence of non-negligible latency, the coupled pair tends to synchronize in anti-phase. This prevalent property intrinsically endows each of the elements with a potential capability to optimally induce isochronous synchronization between commonly driven elements. This, so-called Resonance-Induced Synchronization, is consistently observed in distinct systems, whenever geometrical frustration is absent of the structural architecture