Fitzhugh-Nagumo nöron dinamiği için çatallanma denetleyicisi tasarımları

Abstract

Bu çalışmada tekil Fitzhugh-Nagumo (FN) nöron modelleri için teorik bir çatallanma denetim çalışması sunulmaktadır. Değişmekte olan parametreler için çatallanma analizleri MATLAB üzerinde çalışan MATCONT uygulaması ile yapılmıştır. Söz konusu analizde 5 Hopf (H) ve 1 adette Sınır Noktası/Eyer Düğümü (LP) olgusuna rastlanmıştır. Hopf tipi çatallanmalar izdüşümsel denetim ile desteklenmiş arındırma süzgeçleri kullanılarak sağlanmıştır. Arındırma süzgeçleri birinci ve ikinci derece olarak uygulanmıştır. Birinci derece süzgeç ikinci dereceye göre daha avantajlı olduğu anlaşılmıştır. Birinci derece süzgeç hem daha uygulanabilir olmakta hem de daha hızlı davranmaktadır. LP türü çatallanmalar için derecesinden bağımsız olarak arındırma süzgecinden yapılan çıktı geri beslemesi başarılı olamamakta ve denge noktaları korunamamaktadır. Karşılaştıma amacıyla ayrıca kutup yerleştirme yöntemine dayalı tam hal geri beslemeli bir uygulama da gösterilmektedir. Kutup yerleştirmeye dayalı yöntemlerde denge noktalarının orjinal değerlerinde kalması beklenmemektedir. Bu nedenle arındırma süzgeçleri tercih edilirler. Yapılan tüm tasarımlar sayısal benzetimler aracılığıyla sınanmışlardır.

A theoretical bifurcation control strategy is presented for a single Fitzhugh- Nagumo (FN) type neuron. The bifurcation conditions are tracked for varying parameters of the individual FN neurons. A MATLAB package called as MATCONT is utilized for this purpose and all parameters of the neuron is analyzed one-by-one. Analysis by MATCONT revealed five Hopf (H) and one Limit-Point/Saddle Point (LP) bifurcation. In the control of bifurcations two different approaches are studied. The first one is a full state feedback technique based on the approach of servo control by pole placement. The other one employs a washout filter and an output feedback concept is utilized to process the outputs of the washout filter. In this research, the output feedback technique will be based on linear quadratic projective control theory. Washout filters designed as a first order one that filters only membrane potential and second order one that filters both membrane potential and recovery variable. As washout filters are naturally high-pass systems thay block the steady states inputs so that the original equilibrium points do not change. This phenomenon will especially be noted in Hopf Bifurcation cases. In addition to those first order washout filter which is also physically applicable (due to a single feedback from membrane potential) appeared to be more advantageous than the second order version. .