On ring solutions of neural field equations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to investigation of integro-differential equation with the Hammerstein integral operator of the following form:
\begin{equation*}
\begin{array}{c}
\partial_tu(t,x)=-\tau u(t,x,x_\mathrm{f})+\int\limits_{\mathbb{R}^2}
\omega(x-y)f(u(t,y)) dy, \
\ t\geq0,\ x\in \mathbb{R}^2.
\end{array}
\end{equation*}
The equation describes the dynamics of electrical potentials $u(t,x)$ in a planar neural medium and has the name of neural field equation. We study ring solutions that are represen\-ted by stationary radially symmetric solutions corresponding to the active state of the neural medium in between two concentric circles and the rest state elsewhere in the neural field. We suggest conditions of existence of ring solutions as well as a method of their numerical approximation. The approach used relies on the replacement of the probabilistic neuronal activation function $f$ that has sigmoidal shape by a Heaviside-type function. The theory is accompanied by an example illustrating the procedure of investigation of ring solutions of a neural field equation containing a typically used in the neuroscience community neuronal connectivity function that allows taking into account both excitatory and inhibitory inter\-neuronal interactions. Similar to the case of bump solutions (i.~e. stationary solutions of neural field equations, which correspond to the activated area in the neural field represented by the interior of some circle) at a high values of the neuronal activation threshold there coexist a broad ring and a narrow ring solutions that merge together at the critical value of the activation threshold, above which there are no ring solutions.

About the authors

Rachid Atmania

Tyumen State University

Email: atmania.rachid@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2194-1497

Post-Graduate Student. Institute of Mathematics and Computer Science

Russian Federation, 6 Volodarskogo St., Tyumen 625003, Russian Federation

Evgenii O. Burlakov

Derzhavin Tambov State University

Author for correspondence.
Email: eb_@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-7286-9456

PhD, Researcher at the Research and Educational Center “Fundamental Mathematical Research”

Russian Federation, 33 Internatsionalnaya St., Tambov 392000, Russian Federation

Ivan N. Malkov

Tyumen State University

Email: i.n.malkov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5845-5591

Student. Institute of Mathematics and Computer Science

Russian Federation, 6 Volodarskogo St., Tyumen 625003, Russian Federation

References

  1. E. Burlakov, “On inclusions arising in neural field modeling”, Differential Equations and Dynamical Systems, 29 (2021), 765–787.
  2. E.O. Burlakov, T.V. Zhukovskaya, E.S. Zhukovskiy, N.P. Puchkov, “On Continuous and Discontinuous Models of Neural Fields”, Journal of Mathematical Sciences, 259:3 (2021), 272–282.
  3. S. Amari, “Dynamics of pattern formation in lateral-inhibition type neural fields”, Biological Cybernetics, 27 (1977), 77–87.
  4. C.R. Laing, W.C. Troy, “Two-bump solutions of Amari-type models of neuronal pattern formation”, Physica D: Nonlinear Phenomena, 178 (2003), 190–218.
  5. C.R. Laing, W.C. Troy, B. Gutkin, G.B Ermentrout, “Multiple bumps in a neuronal network model of working memory”, SIAM Journal on Applied Mathematics, 63 (2002), 62–97.
  6. S. Coombes, “Waves, bumps, and patterns in neural field theories”, Biological Cybernetics, 93 (2005), 91–108.
  7. P. Bressloff, “Spatiotemporal dynamics of continuum neural fields”, Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 45:3 (2011), 033001.
  8. C.R. Laing, W.C. Troy, “PDE methods for non-local models”, SIAM Journal on Applied Dynamical Systems, 2:3 (2003), 487–516.
  9. S. Kishimoto, S. Amari, “Existence and stability of local excitations in homogeneous neural fields”, Journal of Mathematical Biology, 7 (1979), 303–318.
  10. A. Oleynik, A. Ponosov, J. Wyller, “On the properties of nonlinear nonlocal operators arising in neural field models”, Journal Mathematical Analysis and Application, 398 (2013), 398–351.
  11. E. Burlakov, J. Wyller, A Ponosov, “Stationary solutions of continuous and discontinuous neural field equations”, Journal of Mathematical Analysis and Applications, 444:1 (2016), 47–68.
  12. S.E. Folias, P.C. Bressloff, “Breathers in two-dimensional neural media”, Physical Review Letters, 95 (2005), 208107.
  13. M.R. Owen, C.R. Laing, S. Coombes, “Bumps and rings in a two-dimensional neural field: splitting and rotational instabilities”, New Journal of Physics, 9 (2007), 378.
  14. E. O. Burlakov, M. A. Nasonkina, “On connection between continuous and discontinuous neural field models with microstructure: I. General theory”, Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 23:121 (2018), 17–30 (In Russian)].
  15. Е.О. Бурлаков, И.Н. Мальков, “О связи непрерывных и разрывных моделей нейронных полей с микроструктурой: II. Радиально симметричные стационарные решения в 2D («бампы»)”, Вестник российских университетов. Математика, 25:129 (2020), 6–17.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».