Hvordan funktion pludselig kan opstå eller forsvinde i fysiske og biologiske systemer

I fysisk, biologiske og teknologiske systemer, den tid, det tager et systems komponenter at påvirke hinanden, kan påvirke overgangen til synkronisering, en vigtig opdagelse, der forbedrer forståelsen af, hvordan disse systemer fungerer, ifølge en undersøgelse ledet af Georgia State University.

Forskerne udviklede analytiske formler, der hjalp dem med at nå frem til disse konklusioner. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Synkronisering er almindelig i mange naturlige og menneskeskabte oscillatorsystemer, hvor betydelig funktion opstår som et resultat af samarbejdsadfærd af mange interagerende elementer i systemerne. Eksempler på synkroniseringssystemer omfatter neuroner i hjernen, pacemakerceller, rytmisk kvidrende fårekyllinger, et publikums klapsalver i koncertsale og halvlederlasere. I disse systemer, interagerende elementer, også kaldet oscillatorer, har deres egne rytmer, men interaktionerne kan føre til en fælles rytme. Interaktionen forsinker, som altid er der i ethvert virkeligt system på grund af den begrænsede hastighed af signalernes bevægelse, behandlingstider og andre faktorer, kan ændre den ultimative rytme. Denne undersøgelse ser på, hvordan dette sker.

"Interaktionsstyrke og tidsforsinkelser kan ændre den måde, synkronisering fremstår og udvikler sig på, " sagde Dr. Mukesh Dhamala, lektor ved Institut for Fysik og Astronomi og Neurovidenskabsinstituttet ved Georgia State. "Systemets historie gør en forskel i synkronisering. Dette papir ser på virkningerne af tidsforsinkelser i kritisk interaktionsstyrke, der er nødvendig for at opnå synkronisering af koblede oscillatorer. Synkroniseringsovergangene minder os om første-ordens og andenordens faseovergange, der almindeligvis studeres i statistisk fysik.

"Disse resultater kan være nyttige til at give mening om eksperimentelt observerede netværksoscillationer, for eksempel, de neurale oscillationer i hjernen, hvor ledningstidsforsinkelse mellem to forbundne regioner varierer fra nogle få til titusinder af millisekunder. En jævn eller brat overgang til synkronisering kan være nyttig til at skelne en normal hjernefunktion (f.eks. perceptuel beslutning) fra en dysfunktion (f.eks. epileptisk anfald)."

I dette studie, forskerne introducerede tidsforsinkelser og ændrede koblingsstyrken mellem oscillatorer for at forstå overgange til og ud af brat synkronisering. De fandt ud af, at tidsforsinkelse ikke påvirker overgangspunktet for brat synkronisering, når koblingsstyrken reduceres fra en synkroniseret tilstand, men tidsforsinkelse kan flytte overgangspunktet, når koblingsstyrken øges fra en usynkroniseret tilstand.