On a boundary value problem for a system of differential equations modeling the electrical activity of the brain

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The Hopfield-type model of the dynamics of the electrical activity of the brain which is a system of differential equations of the form
\begin{equation*}
\dot{v}_{i}= -\alpha v_{i}+\sum_{j=1}^{n}w_{ji}f_{\delta}(v_{j})+I_{i}( t), \quad i=\overline{1,n}, \quad t\geq 0,
\end{equation*}
is under discussion.
  The model parameters are assumed to be given: $\alpha>0,$ $\tau_{ii}=0,$ $w_{ii}= 0,$ $\tau_{ji}\geq 0$ and $w_{ji}>0$ at $i\neq j,$  $I_{i}(t)\geq 0$ at $t\geq 0.$ Activation function $f_{\delta}$ ($\delta$ --- the time of the transition of a neuron to the state of activity) is considered of two types:
$$
\delta=0 \ \Rightarrow \
f_{0}(v)=\left\{
\begin{array}{ll}
0, &v\leq\theta,\\
1, &v>\theta;
\end{array}\right. \ \ \ \ \ \ \
\delta> 0 \ \Rightarrow \ f_{\delta}(v)=\left\{
\begin{array}{ll}
0, & v\leq \theta,\\
{\delta}^{-1}( v-\theta), & \theta < v \leq \theta+\delta,\\
1, &v>\theta+\delta.
\end{array}\right.$$
For the system of differential equations under consideration, a boundary value problem with the conditions  ${v_{i}(0)-v_{i}(T)=\gamma_{i},}$ $i=\overline{1,n},$ is studied. In both cases
 $\delta= 0$ (discontinuous function $f_{0}$) and $\delta > 0$ ($f_{0}$ continuous function), a solution exists, and if
δ>T|W|nn1-e-αT,<br/>  where  W=(wij)n×n,{\delta} > \frac{T|W|_{\mathbb{R}^{n}\to \mathbb{R}^{n}}}{1 - e^{-\alpha T}},
\quad \mbox{where} \quad W=(w_{ij})_{n\times n}, the problem has a unique solution. The work also provides estimates for the solution and its derivative. Theorems on fixed points of continuous mappings of metric and normed spaces and on fixed points of monotonic mappings of partially ordered spaces are used. The results obtained are applied to the study of periodic solutions of the differential system under consideration.

About the authors

Anastasia S. Patrina

Derzhavin Tambov State University

Author for correspondence.
Email: lanina.anastasiia5@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8076-5745

Master, Functional Analysis Department

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

References

  1. J.J. Hopfield, “Neural networks and physical systems with emergent collective computational properties”, Proc. Nat. Acad. Sci., 79:8 (1982), 2554–2558.
  2. V.L. Bykov, Cytology and General Histology, Sothis Publ., St. Petersburg, 2018 (In Russian), 237 pp.
  3. P. Van den Driesche, X. Zou, “Global attractivity in delayed Hopfield neural network models”, SIAM J. Appl. Math., 58 (1998), 1878–1890.
  4. A.S. Lanina, E.A. Pluzhnikova, “On the properties of solutions to differential systems modeling the electrical activity of the brain”, Vestnik rossiyskikh universitetov. Matematika = Russian Universities Reports. Mathematics, 27:139 (2022), 270–283 (In Russian).
  5. E.S. Zhukovskii, “Volterra inequalities in function spaces”, Sb. Math., 195:9 (2004), 1235–1251.
  6. E.S. Zhukovskiy, “On ordered-covering mappings and implicit differential inequalities”, Differential Equations, 52:12 (2016), 1539–1556.
  7. E.O. Burlakov, E.S. Zhukovskiy, “On absrtact Volterra equations in partially ordered spaces and their applications”, CONCORD-90: Mathematical Analysis With Applications. V. 318, International conference in honor of the 90th Birthday of Constantin Corduneanu (2018, Ekaterinburg, Russia), Springer Proceedings in Mathematics & Statistics, eds. S. Pinelas, A. Kim, V. Vlasov, 2020, 3–11.
  8. S. Benarab, Z.T. Zhukovskaya, E.S. Zhukovskiy, S.E. Zhukovskiy, “Functional and differential inequalities and their applications to control problems”, Differential Equations, 56:11 (2020), 1440–1451.
  9. L.V. Kantorovich, G.P. Akilov, Functional Analysis, Nauka Publ., Mscow, 1984 (In Russian).
  10. A.N. Kolmogorov, S.V. Fomin, Elements of the Theory of Functions and Functional Analysis, I, II, Dover Publications, Mineola, New York, 1957, 1961.
  11. A.V. Arutyunov, E.S. Zhukovskiy, S.E. Zhukovskiy, “Coincidence points principle for mappings in partially ordered spaces”, Topology and its Applications, 179:1 (2015), 13–33.
  12. L.A. Lyusternik, V.I. Sobolev, A Short Course in Functional Analysis, Higher School Publ., Moscow, 1982 (In Russian), 271 pp.
  13. N.V. Azbelev, V.P. Maksimov, L.F. Rakhmatullina, Introduction to the Theory of Functional Differential Equations, Nauka Publ., Mscow, 1991 (In Russian).

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».