Kontrollierte Synchronisation in heterogenen Multischicht-Netzwerken

• Antragsteller: Professor Dr. Eckehard Schöll
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429685422

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Ziel des vorliegenden Projektes war die Untersuchung von partiellen Synchronisationsmustern wie Chimerazustände oder solitäre Zustände und Relais-Synchronisation in komplexen Netzwerken, sowie die Erforschung von Möglichkeiten und Methoden der Kontrolle von Synchronisation der raumzeitlichen Dynamik von komplexen Systemen. Wir zeigten, dass Kontrolle erreicht werden kann z. B. durch Relais-Synchronisation der äußeren Schichten eines 3-Schicht-Netzwerkes über die mittlere Schicht, die auf einen einzigen Knoten (hub) reduziert wird, oder durch ein externes Signal (Ton, Musik), das in die Hörrinde eines Hirnnetzwerkes eingespeist wird, oder durch Adaptivität der Gewichte der Kopplungen, oder durch blinkende Kopplungsfunktionen, die bestimmen, welche dynamischen Variablen der unterschiedliche Knoten miteinander verknüpft werden, oder durch zeitverzögerte Kopplungen, oder durch den Einfluss von Rauschen. Chimera-Zustände sind charakterisiert durch die räumliche Koexistenz von Domänen mit synchronisierter und nicht synchronisierter Dynamik, während bei solitären Zuständen alle Knoten synchronisiert sind außer ein paar isolierten Knoten. Unser Fokus lag in Anwendungen auf Hirnnetzwerke und auf physiologische Netzwerke unter Einschluss des Immunsystems, und auf einem sozio-ökonomischen Modell für Wirtschaftszyklen. Die Hirnnetzwerke wurden modelliert durch die paradigmatische FitzHugh-Nagumo- Dynamik auf den Knoten und empirische Netzwerkkonnektivitäten auf der Basis von diffusionsgewichteter Magnetresonanzabbildung (MRI). Die physiologischen Netzwerke wurden beschrieben durch ein 2-Schicht-Netzwerkmodell (Organschicht und Immunschicht) aus adaptiv gekoppelten Phasenoszillatoren, mit co-evolutionärer Dynamik der Organzellen, der Immunzellen und der Zytokine, welche die adaptive Wechselwirkung vermitteln, und im Ergebnis erhielten wir entweder einen gesunden, voll frequenzsynchronisierten Zustand oder einen pathologischen 2-Frequenzcluster-Zustand. Im sozioökonomischen Modell werden wirtschaftliche Schocks verursacht durch die Entscheidung einiger weniger Agenten, die wegen der ungleichen Verteilung des Wohlstandes in der Bevölkerung einen überproportionalen Einfluss auf den Makrozustand der Wirtschaft haben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of Sound on Empirical Brain Networks. Frontiers in Applied Mathematics and Statistics, 7.
  Sawicki, Jakub & Schöll, Eckehard
  
• Partial synchronization patterns in brain networks. Europhysics Letters, 136(1), 18001.
  Schöll, Eckehard
  
• Synchronization scenarios in three-layer networks with a hub. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 31(7).
  Sawicki, Jakub; Koulen, Julia M. & Schöll, Eckehard
  
• Blinking coupling enhances network synchronization. Physical Review E, 105(5).
  Parastesh, Fatemeh; Rajagopal, Karthikeyan; Jafari, Sajad; Perc, Matjaž & Schöll, Eckehard
  
• Controlling chimera and solitary states by additive noise in networks of chaotic maps. Journal of Difference Equations and Applications, 29(9-12), 909-930.
  Rybalova, Elena; Schöll, Eckehard & Strelkova, Galina
  
• Critical Parameters in Dynamic Network Modeling of Sepsis. Frontiers in Network Physiology, 2.
  Berner, Rico; Sawicki, Jakub; Thiele, Max; Löser, Thomas & Schöll, Eckehard
  
• Editorial: Network Physiology, Insights in Dynamical Systems: 2021. Frontiers in Network Physiology, 2.
  Schöll, Eckehard
  
• Introduction to focus issue: In memory of Vadim S. Anishchenko: Statistical physics and nonlinear dynamics of complex systems. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 32(1).
  Zakharova, Anna; Strelkova, Galina; Schöll, Eckehard & Kurths, Jürgen
  
• Modeling Tumor Disease and Sepsis by Networks of Adaptively Coupled Phase Oscillators. Frontiers in Network Physiology, 1.
  Sawicki, Jakub; Berner, Rico; Löser, Thomas & Schöll, Eckehard
  
• Modelling the perception of music in brain network dynamics. Frontiers in Network Physiology, 2.
  Sawicki, Jakub; Hartmann, Lenz; Bader, Rolf & Schöll, Eckehard
  
• Perspectives on adaptive dynamical systems. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 33(7).
  Sawicki, Jakub; Berner, Rico; Loos, Sarah A. M.; Anvari, Mehrnaz; Bader, Rolf; Barfuss, Wolfram; Botta, Nicola; Brede, Nuria; Franović, Igor; Gauthier, Daniel J.; Goldt, Sebastian; Hajizadeh, Aida; Hövel, Philipp; Karin, Omer; Lorenz-Spreen, Philipp; Miehl, Christoph; Mölter, Jan; Olmi, Simona; Schöll, Eckehard ... & Kurths, Jürgen
  
• Role of coupling delay in oscillatory activity in autonomous networks of excitable neurons with dissipation. Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science, 33(7).
  Bukh, A. V.; Shepelev, I. A.; Elizarov, E. M.; Muni, S. S.; Schöll, E. & Strelkova, G. I.
  
• Interplay of synchronization and cortical input in models of brain networks. Europhysics Letters, 146(4), 41001.
  Sawicki, Jakub & Schöll, Eckehard
  
• Macroscopic Stochastic Model for Economic Cycle Dynamics. Physical Review Letters, 134(4).
  Nagel, Sören; Heitzig, Jobst & Schöll, Eckehard