Mathematical analysis of synchronization in complex networks
复杂网络中同步的数学分析
基本信息
- 批准号:1109367
- 负责人:
- 金额:$ 13.98万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2011
- 资助国家:美国
- 起止时间:2011-08-15 至 2014-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Synchronization is an important mode of collective behavior in diverse physical, biological, and technological networks. In many applications, local dynamics is modeled by systems of differential equations and the interaction schemes are defined by weighted graphs. This research is aimed at advancing the mathematical theory of synchronization and pattern formation in coupled systems of differential equations on graphs. Networks with different types of local dynamics, such as those generated by limit cycles, chaotic attractors, or induced by noise, are considered under general assumptions on the network architecture. The principal investigator (PI) develops mathematically rigorous yet practically efficient conditions guaranteeing synchronization, studies robustness of synchrony to noise, and analyzes patterns of electrical activity in gap-junctionally coupled neuronal networks. The graph-theoretic interpretation of the analytical results is emphasized. The PI seeks systematic ways of quantifying the contribution of the network topology to the dynamics of coupled oscillators by integrating combinatorial techniques into dynamical systems analysis.Synchronization is a universal phenomenon with abundant applications across science and technology. Power grid safety, effective communication in information networks, and coordination of unmanned vehicles are just three of many areas of technology where synchronization is crucial. Furthermore, synchronization plays a prominent role in the mechanisms of many vital physiological and cognitive processes such as respiration, sleep, and attention, as well as in the mechanisms of several severe neurodegenerative disorders such as Parkinson's Disease and epilepsy. The PI develops new mathematical tools and uses them to study synchronization in biophysical models including that of the Locus Coeruleus network, a group of neurons in the mammalian brainstem involved in the regulation of cognitive performance and behavior. This study enhances our understanding of how to achieve, control, or destroy synchrony in an important class of models. This investigation fosters research at the interface between theories of dynamical systems, stochastic processes, and algebraic graph theory. The results of this research will be integrated into graduate courses in dynamical systems and mathematical neuroscience that are taught by the PI at Drexel University. This grant supports one graduate student and sponsors summer research for two undergraduate students.
同步是各种物理、生物和技术网络中的一种重要的集体行为模式。在许多应用中,局部动力学由微分方程组来建模,相互作用方案由加权图来定义。这项研究旨在推进图上耦合微分方程组的同步和模式形成的数学理论。在网络结构的一般假设下,考虑具有不同类型的局部动力学的网络,例如由极限环、混沌吸引子或由噪声引起的网络。首席研究员(PI)开发了保证同步的数学上严格而又实际有效的条件,研究了同步对噪声的稳健性,并分析了缝隙连接耦合神经元网络中的电活动模式。强调了对分析结果的图论解释。PI通过将组合技术与动力系统分析相结合,寻求系统的方法来量化网络拓扑对耦合振子动力学的贡献。同步是一种普遍现象,在科学和技术中有着广泛的应用。电网安全、信息网络中的有效通信以及无人驾驶车辆的协调只是同步至关重要的众多技术领域中的三个。此外,同步化在许多重要的生理和认知过程,如呼吸、睡眠和注意力,以及一些严重的神经退行性疾病,如帕金森氏病和癫痫的机制中发挥着重要的作用。PI开发了新的数学工具,并用它们来研究生物物理模型中的同步,包括蓝斑网络的同步,蓝斑网络是哺乳动物脑干中参与认知表现和行为调节的一组神经元。这项研究加深了我们对如何在一类重要的模型中实现、控制或破坏同步性的理解。这项研究促进了动力系统理论、随机过程理论和代数图论之间的研究。这项研究的结果将被整合到德雷克塞尔大学PI教授的动力系统和数学神经科学的研究生课程中。这笔助学金资助一名研究生,资助两名本科生的暑期研究。
项目成果
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