Collective phenomena in networks of electronic neurons

Abstract

Sistemas sensoriais biológicos usualmente são formados por redes complexas de milhares de neurônios capazes de discernir estímulos cujas intensidades podem cobrir várias ordens de magnitude, o que se traduz em uma grande faixa dinâmica. Estudos recentes sugerem que grandes faixas dinâmicas emergem como um fenômeno coletivo de vários elementos excitáveis de pequena faixa dinâmica conectados entre si. Este efeito tem possíveis aplicações práticas na construção de sensores biologicamente inspirados de alta sensibilidade e grande faixa dinâmica. Motivado por este fato, esta tese propõe o uso de circuitos eletrônicos de extrema simplicidade para a construção de redes de elementos excitáveis. Um circuto eletrônico excitável, inspirado na dinâmica do modelo de FitzHugh-Nagumo para excitabilidade neuronal, serve como elemento básico na construção de redes. Para conectar tais circuitos, um outro circuito eletrônico que simula o comportamento de sinapses químicas é utilizado. Devido à sua simplicidade, ambos os circuitos permitem fácil modelagem matemática, além de poderem ser reproduzidos em larga escala. Ainda assim, os circuitos dão liberdade para controle de parâmetros importante da dinâmica, como escalas temporais e intensidades de acoplamento. O uso destes circuitos eletrônicos, juntamente com circuitos complementares, como geradores de ruído, permitem a investigação diversos fenômenos coletivos envolvendo elementos excitáveis. Neste trabalho focamos nossos esforços no estudo de efeitos de simetria sináptica, que levem à ressonâcia de coerência ou incoerência e no fenômeno de alargamento de faixa dinâmica.