Spatio-Temporal Dynamics of Pattern Formation in the Cerebral Cortex

Abstract

In dieser Dissertation werden die Methoden der nichtlinearen Dynamik angewandt um die Strukturbildung in der Großhirnrinde auf zwei Ebenen zu studieren: die Entwicklung räumlich kohärenter visueller Karten auf der Ebene der kortikalen Säulen und die Dynamik der Aktionspotentialinitiierung auf der Ebene der einzelnen Neuronen.Im ersten Teil meiner Arbeit entwickle ich eine quantitativ kontrollierte nummerische Methode für die Untersuchung der dynamischen Prozesse der sich aus dem Hebbschen Lernen ergebenden Entwicklung der Orientierungspräferenz Karten (OPM). Kohonen s selbstorganisierte Abbildung der Feature-Karten (SOFM) hat oft Anwendung gefunden bei der Simulation der Entstehung und Struktur der verschiedenen Karten aber ihre Attraktor-Zustände sind weitgehend uncharakterisiert geblieben. Zuerst identifiziere ich verschiedene dynamische Regimes des Kohonen models und führe eine umfassende Studie für verschiedene Systemgrößen, Dimensionen des Feature-Raums und Verteilungen der Stimuli. Ich habe eine 2-D Abbildung in der Nähe der Schwelle zur Symmetriebrechung identifiziert, der der 2 Dimensionen aktiv sind und die restlichen N-2 Dimensionen des Feature-Raums unterdrückt werden bis zum Auftreten zusätzlicher Bifurkationen. Die Transformation des anfangs Pinwheel-reichen Patterns zur Streifen oder Kristallstruktur sind robuste dynamische Phänomene in der Abbildung verschieden dimensionaler Feature-Räume.Im zweiten Teil meiner Arbeit beschäftige ich mich mit der Phasendarstellung der Aktionspotentialinitiierung in Leitfähigkeits-basierte Modellen und deren Auswirkung auf die Eigenschaften der Populationskodierung. Ich entwickle und charakterisiere eine neue Klasse von Leitfähigkeits-basierten Modellen die einen Prozentsatz kooperativer Natrium Kanäle mit variabler inter-kanal Kooperativität enthalten. Für einen kleinen Prozentsatz stark kooperativer Kanäle für dieses Model zu einen bi-phasischen Aktionspotentialdynamik, die in den Neuronen des Zentralen Nervensystems der Säugetiere oft beobachtet wurde. Es konnte gezeigt werden, dass starke Kooperativität die Kodierung schneller Input-Signale verstärkt. Desweiteren untersuche ich die alternative Hypothese dass die schnelle Initiierung der somatischen Aktionspotentiale durch den lateralen Strom aus dem Axoninitialsegments (AIS) verursacht wird. Dazu charakterisiere ich die Form der Aktionspotentiale in der Phasendarstellung in den Multi-Kompartment-Modellen. In den physiologisch bekannten Parameterbereichen sind die Phasenraumdarstellungen der Aktionspotentiale am Soma und am AIS mit einander verknüpft und die Eigenschaften der somatischen Potentiale können über die zeitliche Struktur der Aktionspotentiale am Ort ihrer Entstehung (AIS) Auskunft geben.Es konnte kein Einfluss der lateralen Ströme auf die Initiierungsdynamik der Aktionspotentiale festgestellt werden, außer in Modellen mit langen passiven Dendriten und einer extrem hohen Natriumkanal-Dichte am AIS. Desweiten zeigt diese Studie, dass leicht kleinere Gain Reduktion in dem Hochfrequenzbereich mit zunehmender Natriumkanal Dichte am AIS als in den Einzel-Kompartment Modellen gezeigt wurde.