Dynamics of biologically informed neural mass models of the brain

Spiegler, Andreas

This book contributes to the development and analysis of computational models that help brain function to be understood. The mean activity of a brain area is mathematically modeled in such a way as to strike a balance between tractability and biological plausibility. Neural mass models (NMM) are used to describe switching between qualitatively different regimes (such as those due to pharmacological interventions, epilepsy, sleep, or context-induced state changes), and to explain resonance phenomena in a photic driving experiment. The description of varying states in an ordered sequence gives a principle scheme for the modeling of complex phenomena on multiple time scales. The NMM is matched to the photic driving experiment routinely applied in the diagnosis of such diseases as epilepsy, migraine, schizophrenia and depression. The model reproduces the clinically relevant entrainment effect and predictions are made for improving the experimental setting.

Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Entwicklung und Analyse von Computermodellen zum Verständnis von Hirnfunktionen dar. Es wird die mittlere Aktivität eines Hirnareals analytisch einfach und dabei biologisch plausibel modelliert. Auf Grundlage eines Neuronalen Massenmodells (NMM) werden die Wechsel zwischen Oszillationsregimen (z.B. durch pharmakologisch, epilepsie-, schlaf- oder kontextbedingte Zustandsänderungen) als geordnete Folge beschrieben und Resonanzphänomene in einem Photic-Driving-Experiment erklärt. Dieses NMM kann sehr komplexe Dynamiken (z.B. Chaos) innerhalb biologisch plausibler Parameterbereiche hervorbringen. Um das Verhalten abzuschätzen, wird das NMM als Funktion konstanter Eingangsgrößen und charakteristischer Zeitenkonstanten vollständig auf Bifurkationen untersucht und klassifiziert. Dies ermöglicht die Beschreibung wechselnder Regime als geordnete Folge durch spezifische Eingangstrajektorien. Es wird ein Prinzip vorgestellt, um komplexe Phänomene durch Prozesse verschiedener Zeitskalen darzustellen. Da aufgrund rhythmischer Stimuli und der intrinsischen Rhythmen von Neuronenverbänden die Eingangsgrößen häufig periodisch sind, wird das Verhalten des NMM als Funktion der Intensität und Frequenz einer periodischen Stimulation mittels der zugehörigen Lyapunov-Spektren und der Zeitreihen charakterisiert. Auf der Basis der größten Lyapunov-Exponenten wird das NMM mit dem Photic-Driving-Experiment überein gebracht. Dieses Experiment findet routinemäßige Anwendung in der Diagnostik verschiedener Erkrankungen wie Epilepsie, Migräne, Schizophrenie und Depression. Durch die Anwendung des vorgestellten NMM wird der für die Diagnostik entscheidende Mitnahmeeffekt reproduziert und es werden Vorhersagen für eine Verbesserung der Indikation getroffen.

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Spiegler, Andreas: Dynamics of biologically informed neural mass models of the brain. Ilmenau 2012. Universitätsverlag Ilmenau.

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