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TU Berlin

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Nonlinear Dynamics and Control: empirical networks and neurodynamics

Lupe [1]

Leitung: Dr. habil. Philipp Hövel [2]

In Zusammenarbeit mit dem  Bernstein Center for Computational Neuroscience Berlin (BCCN Berlin) [3]

The research area is located in the field of nonlinear dynamics and control with strong connections to neuroscience and excitable system. Special attention is given to the phenomenon of synchronization, effects of time delay, network dynamics, stochastic dynamical systems as well as pattern formation and nonlinear excitation waves in neural systems.

Siehe auch Pressemitteilung des BCCN Berlin [4] und Flyer des BCCN Berlin [5]  

Neurodynamik und empirische Netzwerke

Lupe [6]

Wir analysieren empirische Netzwerke, z.B. aus dem Tierhandel oder fMRI-Messungen des menschlichen Gehirns. Wir nutzen die aus den Daten extrahierten Strukturen in unseren numerischen Simulationen nichtlinearer Modelle zur Untersuchung der Dynamik (Krankheitsausbreitung bzw. neuronale Dynamik) auf realistischen Netzwerken. Dabei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf temporären Netzwerken mit zeitab-hängigen Kopplungen. Dabei untersuchen wir die generelle Kontrollierbarkeit von zeitabhängigen Netzwerken, entwickeln neuartige Kontrollmechanismen und testen diese für empirische Daten.

Unsere Methoden umfassen Maße aus der Netzwerktheorie, Bifurkationsanalysen und Kontrollierbarkeitsanalysen aus der Kontrolltheorie.

Siehe auf Flyer der Nachwuchsgruppe Hövel (PDF, 160,0 KB) [7].

Neuigkeiten

  • Call for Papers: Individual and Collective Human Mobility: Description, Modelling, Prediction [8] (EPJ Data Science)
    Frist: 31. Dezember 2017

  • Dr. Aline Viol nimmt demnächst (in Mai/Juni 2017) ihre Arbeit als Postdoc auf, im Rahmen des DFG-Projekts "Zeitliche Fluktuationen in funktionalen Netzwerken des menschlichen Gehirns". Willkommen!

    Kooperationspartner: Dr. Vesna Vuksanovic [9] (University of Aberdeen), Prof. Dr. John-Dylan Haynes [10] (Charité Berlin), Prof. Danielle Bassett, PhD [11] (University of Pennsylvenia)
    Zeitraum: bis Dezember 2018

  • Jorge Luiz [12] und Philipp Lorenz  [13] unterstützen seit September 2016 die Gruppe als Doktoranden. Willkommen!

  • Beginn des DAAD-gefördertes Austauschprogramms zum Thema "Strategien zur Kontrolle von Krankheitsausbreitung in zeitabhängigen Netzwerken" [14]

    Kooperationspartner: INSERM/Universite Pierre et Marie Curie [15]
    Zeitraum: Januar 2016 bis Dezember 2017
    Projektleiterin in Frankreich: Dr. Vittoria Colizza [16]

  • Beginn eines 4-jährigen Projekts Control of networks with time-varying topologies and applications to epidemiology [17] im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 910: Control of self-organizing systems [18]. 

    Förderperiode: 1. Januar 2015 bis 31. Dezember 2018

  • Verlängerung des DAAD-gefördertes Austauschprogramms zum Thema "Chimären in dynamischen Netzwerken nichtlinearer Systeme"
    [19]
    Kooperationspartner: National Center for Scientific Research “Demokritos” (Athen, Griechenland) [20] und University of Patras (Griechenland) [21]

    Zeitraum: Januar 2013 bis Dezember 2014, verlängert bis Dezember 2015
    Projektleiterin in Griechenland: Dr. Ioanna Hizanidis [22]

  • Posterpreis "Honorable Mention" auf der Fourth Biennial Conference on Resting State / Brain Connectivity [23]:
    V. Vuksanovic, P. Hövel: Role of remote synchronization and symmetry in indirect interactions in functional correlations between distant cortical regions [24]

  • Forschungshighlight: Functional connectivity of distant cortical regions: role of remote synchronization and symmetry in interactions [25]

    Referenz: 
    NeuroImage 97, 1 (2014). [26]

  • Fortsetzung des Projektes "Virtual presence in seminars [27] and tools for e-teaching [28]" im Rahmen des German-Russian Interdisciplinary Science Center (G-RISC) [29]. Weitere Informationen zu diesem und früheren G-RISC-Projekten gibt es hier [30].

  • Forschungshighlight: When Nonlocal Coupling between Oscillators Becomes Stronger: Patched Synchrony or Multichimera States [31]

    Referenz: Phys. Rev. Lett. 110, 224101 (2013) [32].
  • Forschungshighlight: Experimental observation of chimeras in coupled-map lattices [33]

    Referenz: Nature Physics 8, 658 (2012) [34].

    Siehe auch: Physics Today 65, 17 (Oktober 2012) [35], Physics Today (vom 6. September 2012) [36], TU intern (Oktober 2012) und TU-Medieninformation [37]

Projekt B10 (SFB910): Kontrolle von zeitabhängigen Netzwerken und Anwendungen auf Epidemiologie

Many networks exhibit time-dependent topologies with edges existing for some time or weights subject to temporal fluctuations. This is particularly important, if the evolution of the network topology acts on a timescale similar to the local node dynamics, and forms profound challenges for the control of coupled elements. Our objective is to develop a framework for the investigation of the dynamics on temporal networks. We address (i) the controllability of networks, (ii) apply novel control designs to time-dependent network topologies, and (iii) test our findings on high-resolution datasets, e.g. animal trade, with important applications in epidemiology.

Siehe auch Projektliste des SFB 910. [38]

Project A13: Dynamics of inhomogeneous neural systems with nonlocal coupling

We investigate the cooperative dynamics of nonlocally coupled neural populations. The individual systems display oscillatory local dynamics, e.g., above a Hopf bifurcation associated with excitability type II. Inhomogeneity of the local elements is introduced in the network via a distribution of system's parameters. Varying the network parameters - such as coupling radius and strength - and in dependence upon the variability of the system's parameters, we analyze spatio-temporal dynamics of coupled systems. Coherent solutions, their stability, and mechanisms of the transition from coherence to incoherence are investigated. Especially, we discuss the occurrence of chimera states that exhibit spatial coexistence of regular synchronized and irregular spatially incoherent regions. This will establish the universality of the coherence-incoherence bifurcation and contributes to a better understanding of synchronization in neural systems.

Siehe auch ausführliche Projektbeschreibung [39] und Projektliste des BCCN Berlin [40]

Project B7: Large-scale neural model for functional networks of the human cortex

We will address resting brain fluctuations in fMRI data combining experimental and theoretical approach. Based on empirically derived large-scale functional networks of the human cortex we will use numerical simulations to test hypothesis that (i) indirect connections, (ii) interregional distance, and (iii) collective effects governed by network properties of the cortex play significant a role in generation of the resting state fluctuations.

Siehe auch ausführliche Projektbeschreibung [41] und Projektliste des BCCN Berlin [42]

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