Nöronal chimera: biyolojik osilatör popülasyonlarında spontan simetri kırılımının incelenmesi

Chimera durumları, dinamik sistem popülasyonlarında hem uyumlu senkron hem de uyumsuz asenkron grupların aynı anda bir arada bulunması şeklinde ortaya çıkan simetriyi kıran karmaşık uzay–zamansal örüntülerdir. Bu çalışmada, öncelikle kimyasal sinapslar ile birbirine bağlı tip I Morris–Lecar nöronlarının lokal olmayan ağlarında chimera durumlarının ortaya çıkışı incelenmektedir. Morris–Lecar modeli, gerçek sinir sistemlerinde meydana gelen elektriksel aktiviteyi tanımlamak için biyofiziksel olarak uygun kontrol parametreleri sağladığından, bu bakış açısıyla daha önceki chimera çalışmalarına kıyasla daha gerçekçi bir nöronal modelleme çerçevesi oluşturulmaktadır. Sistematik olarak dinamik davranış geçişleri araştırılırken uyarılabilirlik seviyesine ve lokal olmayan ağda bağlantı özelliklerine bağlı olarak chimera durumlarının yanında farklı senkronizasyon türlerinin ortaya çıktığı görülmektedir. Ayrıca, asenkron durumlar, gezinen dalgalar, chimeralar, senkron durumlar ve genlik ölümü durumları arasındaki geçişler ilgili parametre alanlarında haritalandırılmaktadır. Elde edilen sonuçlar, chimera durumlarının oluşmasında başlangıç durumlarındaki rastgelelikten başka osilatör rejimdeki nöronların nispeten düşük uyarılabilirliklerine ve orta şiddette bir ağ etkileşim yoğunluğuna ihtiyaç duyulduğunu göstermiştir. Bu durumun zengin dinamik davranış çeşitliliği için de gerekli anahtar bir koşul olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca ilgili parametre uzayındaki senkronizasyon bölgesi sınırında chimera davranışında ilgi çekici çoklu chimera durumları gözlenmiştir. Dopamin nöronları gibi beyinde senkronizasyon dengesini sağlayan nöronlar tip I uyarılabilirlik gösterebilmekte ve bu dengenin bozulmaması için uyarılabilirlik seviyesi, dengeli uyartım aktivasyonu gibi faktörlerin korunması hayati önem arzetmektedir. Bu sebeple, chimera durumlarının nöronal ortamda ortaya çıkmasına neden olan biyolojik koşulların daha iyi anlaşılmasına bu tez çalışması ile önemli bir katkı sağlandığı düşünülmektedir. Bu çalışmada ayrıca gerçek beyin konnektomunda olduğu gibi hibrit bir sinaptik yapıyı oluşturan hem elektriksel hem de kimyasal sinapslarla birleştirilmiş bir Morris–Lecar nöron popülasyonda chimera durumlarının ortaya çıkışı araştırılmaktadır. Chimera ve gezinen dalgalar gibi ilginç dinamik davranışların böyle bir hibrit bağlı sinir sisteminde de var olduğu gösterilmektedir. Kimyasal ve elektriksel sinapsların bağlantı yoğunluklarının, chimera ve farklı senkronize durumlarının (yani asenkron, gezinen dalga ve senkron) özelliklerini nasıl etkilediği analiz edilmektedir. Ek olarak, kimyasal sinaps popülasyon büyüklüğü arttırıldığında, chimera durumları için söz konusu bölgenin ötesinde yeni ve ilginç bir kaotik dinamik davranışın ortaya çıktığı gösterilmektedir. Bu, kaotik genlik chimera durumu olarak adlandırılan, farklı genliğe sahip iki farklı senkronize durum ve uyumsuz senkronize olmayan bir durumun birlikte bulunması ile karakterize edilmektedir.