TY  - THES
A1  - Fischer, Jost
T1  - Über Synchronisationsphänomene nichtlinearer akustischer Oszillatoren
T1  - About synchronization phenomena of nonlinear acoustic oscillators
N2  - In dieser Arbeit werden die Effekte der Synchronisation nichtlinearer, akustischer Oszillatoren am Beispiel zweier Orgelpfeifen untersucht. Aus vorhandenen, experimentellen Messdaten werden die typischen Merkmale der Synchronisation extrahiert und dargestellt. Es folgt eine detaillierte Analyse der Übergangsbereiche in das Synchronisationsplateau, der Phänomene während der Synchronisation, als auch das Austreten aus der Synchronisationsregion beider Orgelpfeifen, bei verschiedenen Kopplungsstärken. Die experimentellen Befunde werfen Fragestellungen nach der Kopplungsfunktion auf. Dazu wird die Tonentstehung in einer Orgelpfeife untersucht. Mit Hilfe von numerischen Simulationen der Tonentstehung wird der Frage nachgegangen, welche fluiddynamischen und aero-akustischen Ursachen die Tonentstehung in der Orgelpfeife hat und inwiefern sich die Mechanismen auf das Modell eines selbsterregten akustischen Oszillators abbilden lässt. Mit der Methode des Coarse Graining wird ein Modellansatz formuliert.
N2  - In this study, synchronization properties observed in a system of nonlinear acoustic oscillators in form of two coupled organ pipes are investigated. From given measurements we extract the effects of synchronization one would expect typically. Furthermore we set our focus to the domains of transition into the synchronization region, when the system is complete synchronized and when it tears off, under the condition of different coupling strengths. We analyze and discuss the observed phenomena concerning their nonlinearities. Using numerical, fluid-dynamic and aeroacoustic simulation techniques we investigate how an organ pipe can be understand as a self-sustained, acoustic oscillator. With the results of the numerical simulations we show, how to reduce the complex fluid-dynamical interplay with the acoustic field inside the pipe to a self-sustained acoustic oscillator. For this process we use the coarse graining method.
KW  - Physik
KW  - Synchronisation
KW  - Orgelpfeife
KW  - nichtlinear
KW  - Akustik
KW  - physics
KW  - synchronization
KW  - organ pipe
KW  - nonlinear
KW  - acoustics
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63618
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zemanová, Lucia
T1  - Structure-function relationship in hierarchical model of brain networks
T1  - Das Verhältnis von Struktur und Funktion in hierarchischem Model der Hirn-Netzwerken
N2  - The mammalian brain is, with its numerous neural elements and structured complex connectivity, one of the most complex systems in nature. Recently, large-scale corticocortical connectivities, both structural and functional, have received a great deal of research attention, especially using the approach of complex networks. Here, we try to shed some light on the relationship between structural and functional connectivities by studying synchronization dynamics in a realistic anatomical network of cat cortical connectivity. We model the cortical areas by a subnetwork of interacting excitable neurons (multilevel model) and by a neural mass model (population model). With weak couplings, the multilevel model displays biologically plausible dynamics and the synchronization patterns reveal a hierarchical cluster organization in the network structure. We can identify a group of brain areas involved in multifunctional tasks by comparing the dynamical clusters to the topological communities of the network. With strong couplings of multilevel model and by using neural mass model, the dynamics are characterized by well-defined oscillations. The synchronization patterns are mainly determined by the node intensity (total input strengths of a node); the detailed network topology is of secondary importance. The biologically improved multilevel model exhibits similar dynamical patterns in the two regimes. Thus, the study of synchronization in a multilevel complex network model of cortex can provide insights into the relationship between network topology and functional organization of complex brain networks.
N2  - Das Gehirn von Säugetieren stellt mit seinen zahlreichen, hochgradig vernetzten Neuronen ein natürliches Netzwerk von immenser Komplexität dar. In der jüngsten Vergangenheit sind die großflächige kortikale Konnektivitäten, sowohl unter strukturellen wie auch funktionalen Gesichtspunkten, in den Fokus der Forschung getreten. Die Verwendung von komplexe Netzwerke spielt hierbei eine entscheidende Rolle. In der vorliegenden Dissertation versuchen wir, das Verhältnis von struktureller und funktionaler Konnektivität durch Untersuchung der Synchronisationsdynamik anhand eines realistischen Modells der Konnektivität im Kortex einer Katze näher zu beleuchten. Wir modellieren die Kortexareale durch ein Subnetzwerk interagierender, erregbarer Neuronen (multilevel model) und durch ein Modell von Neuronenensembles (population model). Bei schwacher Kopplung zeigt das multilevel model eine biologisch plausible Dynamik und die Synchronisationsmuster lassen eine hierarchische Organisation der Netzwerkstruktur erkennen. Indem wir die dynamischen Cluster mit den topologischen Einheiten des Netzwerks vergleichen, sind wir in der Lage die Hirnareale, die an der Bewältigung komplexer Aufgaben beteiligt sind, zu identifizieren. Bei starker Kopplung im multilevel model und unter Verwendung des Ensemblemodells weist die Dynamik klare Oszillationen auf. Die Synchronisationsmuster werden hauptsächlich durch die Eingangsstärke an den einzelnen Knoten bestimmt, während die genaue Netzwerktopologie zweitrangig ist. Eine Erweiterung des Modells auf andere biologisch relevante Faktoren bestätigt die vorherigen Ergebnisse. Die Untersuchung der Synchronisation in einem multilevel model des Kortex ermöglicht daher tiefere Einblicke in die Zusammenhänge zwischen Netzwerktopologie und funktionaler Organisation in komplexen Hirn-Netzwerken.
KW  - komplexe Hirnnetzwerke
KW  - Verhältnis der Struktur und Funktion
KW  - hierarchisches Model
KW  - Synchronization
KW  - complex brain networks
KW  - structur-function relationship
KW  - hierarchical model
KW  - synchronization
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-18400
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fischer, Jost Leonhardt
T1  - Nichtlineare Kopplungsmechanismen akustischer Oszillatoren am Beispiel der Synchronisation von Orgelpfeifen
T1  - Nonlinear coupling mechanisms of acoustical oscillators using the example of synchronization of organ pipes
N2  - In dieser Arbeit werden nichtlineare Kopplungsmechanismen von akustischen Oszillatoren untersucht, die zu Synchronisation führen können. Aufbauend auf die Fragestellungen vorangegangener Arbeiten werden mit Hilfe theoretischer und experimenteller Studien sowie mit Hilfe numerischer Simulationen die Elemente der Tonentstehung in der Orgelpfeife und die Mechanismen der gegenseitigen Wechselwirkung von Orgelpfeifen identifiziert. Daraus wird erstmalig ein vollständig auf den aeroakustischen und fluiddynamischen Grundprinzipien basierendes nichtlinear gekoppeltes Modell selbst-erregter Oszillatoren für die Beschreibung des Verhaltens zweier wechselwirkender Orgelpfeifen entwickelt. Die durchgeführten Modellrechnungen werden mit den experimentellen Befunden verglichen. Es zeigt sich, dass die Tonentstehung und die Kopplungsmechanismen von Orgelpfeifen durch das entwickelte Oszillatormodell in weiten Teilen richtig beschrieben werden. Insbesondere kann damit die Ursache für den nichtlinearen Zusammenhang von Kopplungsstärke und Synchronisation des gekoppelten Zwei-Pfeifen Systems, welcher sich in einem nichtlinearen Verlauf der Arnoldzunge darstellt, geklärt werden. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wird der Einfluss des Raumes auf die Tonentstehung bei Orgelpfeifen betrachtet. Dafür werden numerische Simulationen der Wechselwirkung einer Orgelpfeife mit verschiedenen Raumgeometrien, wie z. B. ebene, konvexe, konkave, und gezahnte Geometrien, exemplarisch untersucht. Auch der Einfluss von Schwellkästen auf die Tonentstehung und die Klangbildung der Orgelpfeife wird studiert. In weiteren, neuartigen Synchronisationsexperimenten mit identisch gestimmten Orgelpfeifen, sowie mit Mixturen wird die Synchronisation für verschiedene, horizontale und vertikale Pfeifenabstände in der Ebene der Schallabstrahlung, untersucht. Die dabei erstmalig beobachteten räumlich isotropen Unstetigkeiten im Schwingungsverhalten der gekoppelten Pfeifensysteme, deuten auf abstandsabhängige Wechsel zwischen gegen- und gleichphasigen Sychronisationsregimen hin. Abschließend wird die Möglichkeit dokumentiert, das Phänomen der Synchronisation zweier Orgelpfeifen durch numerische Simulationen, also der Behandlung der kompressiblen Navier-Stokes Gleichungen mit entsprechenden Rand- und Anfangsbedingungen, realitätsnah abzubilden. Auch dies stellt ein Novum dar.
N2  - In this work non-linear coupling mechanisms in acoustic oscillator systems are examined which can lead to synchronization phenomena. This mechanisms are investigated in particular on organ pipes. Building up on the questions of preceding works the elements of the sound generation are identified using detailed experimental and theoretical studies, as well as numerical simulations. Furthermore the organ pipes interaction mechanisms of the mutual coupling are developed. This leads to a non-linear coupled oscillator model which is developed on the aeroacoustical and fluiddynamical first principles. The carried out model calculations are compared to the experimental results from preceding works. It appears that the sound generation and the coupling mechanisms are properly described by the developed nonlinear coupled model of self-sustained oscillators. In particular the cause can be cleared with it for the non-linear edges of the Arnold tongue of the coupled two-pipe system. With the new knowledge the influence of various space geometries on the sound generation of organ pipes is investigated. With numerical simulations the interaction of an organ pipe and different space geometries, like plane, convex, concave, and ridged geometry is studied. Also the influence of so called swell boxes on the sound generation and the sound pattern of the organ pipe is studied. In further new synchronization experiments with precisely equally tuned pairs of organ pipes, as well as with mixtures the synchronization is examined for various grids of horizontal and vertical pipe distances in the 2D-plane of sound radiation. The spatial discontinuities observed in the oscillation behaviour of the coupled pipe systems, point to changes between anti-phase and in-phase regimes of sychronization depending on pipes distances. Finally the possibility is documented to describe the phenomenon of the synchronization of two organ pipes realisticaly by solving the compressible Navier-Stokes equations numerically.
KW  - Synchronisation
KW  - Orgelpfeifen
KW  - Simulation
KW  - Experiment
KW  - Modell
KW  - synchronization
KW  - organ pipes
KW  - simulation
KW  - experiment
KW  - model
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-71975
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bergner, André
T1  - Synchronization in complex systems with multiple time scales
T1  - Synchronisation in komplexen Systemen mit mehreren Zeitskalen
N2  - In the present work synchronization phenomena in complex dynamical systems exhibiting multiple time scales have been analyzed. Multiple time scales can be active in different manners. Three different systems have been analyzed with different methods from data analysis. The first system studied is a large heterogenous network of bursting neurons, that is a system with two predominant time scales, the fast firing of action potentials (spikes) and the burst of repetitive spikes followed by a quiescent phase. This system has been integrated numerically and analyzed with methods based on recurrence in phase space. An interesting result are the different transitions to synchrony found in the two distinct time scales. Moreover, an anomalous synchronization effect can be observed in the fast time scale, i.e. there is range of the coupling strength where desynchronization occurs. The second system analyzed, numerically as well as experimentally, is a pair of coupled CO₂ lasers in a chaotic bursting regime. This system is interesting due to its similarity with epidemic models. We explain the bursts by different time scales generated from unstable periodic orbits embedded in the chaotic attractor and perform a synchronization analysis of these different orbits utilizing the continuous wavelet transform. We find a diverse route to synchrony of these different observed time scales. The last system studied is a small network motif of limit cycle oscillators. Precisely, we have studied a hub motif, which serves as elementary building block for scale-free networks, a type of network found in many real world applications. These hubs are of special importance for communication and information transfer in complex networks. Here, a detailed study on the mechanism of synchronization in oscillatory networks with a broad frequency distribution has been carried out. In particular, we find a remote synchronization of nodes in the network which are not directly coupled. We also explain the responsible mechanism and its limitations and constraints. Further we derive an analytic expression for it and show that information transmission in pure phase oscillators, such as the Kuramoto type, is limited. In addition to the numerical and analytic analysis an experiment consisting of electrical circuits has been designed. The obtained results confirm the former findings.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden Synchronisationsphänomene in komplexen Systemen mit mehreren Zeitskalen untersucht. Es gibt mehrere Möglichkeiten wie diese verschiedenen Zeitskalen vorkommen können. Drei verschiedene Systeme, jedes mit einer anderen Art von zeitlicher Multiskalität, wurden mit unterschiedlichen Methoden der Datenanalyse untersucht. Das erste untersuchte System ist ein ausgedehntes heterogenes Netzwerk von Neuronen mit zwei dominanten Zeitskalen, zum einen die schnelle Folge von Aktionspotenzialen und zum anderen einer abwechselnden Folge von einer Phase von Aktionspotenzialen und einer Ruhephase. Dieses System wurde numerisch integriert und mit Methoden der Phasenraumrekurrenz untersucht. Ein interessantes Ergebnis ist der unterschiedliche Übergang zur Synchronisation der Neuronen auf den beiden verschiedenen Zeitskalen. Des weiteren kann auf der schnellen Zeitskala eine anomale Synchronisation beobachtet werden, d.h. es gibt einen Bereich der Kopplungsstärke in dem es zu einer Desynchronisation kommt. Als zweites wurde, sowohl numerisch als auch experimentell, ein System von gekoppelten CO₂ Lasern untersucht, welche in einem chaotischen bursting Modus arbeiten. Dieses System ist auch durch seine Äquivalenz zu Epidemiemodellen interessant. Wir erklären die Bursts durch unterschiedliche Zeitskalen, welche durch in den chaotischen Attraktor eingebettete instabile periodische Orbits generiert werden. Wir führen eine Synchronisationsanalyse mit Hilfe der kontinuierlichen Wavelettransformation durch und finden einen unterschiedlichen Übergang zur Synchronisation auf den unterschiedlichen Zeitskalen. Das dritte analysierte System ist ein Netzwerkmotiv von Grenzzyklusoszillatoren. Genauer handelt es sich um ein Nabenmotiv, welches einen elementaren Grundbaustein von skalenfreien Netzwerken darstellt, das sind Netzwerke die eine bedeutende Rolle in vielen realen Anwendungen spielen. Diese Naben sind von besonderer Bedeutung für die Kommunikation und den Informationstransport in komplexen Netzwerken. Hierbei wurde eine detaillierte Untersuchung des Synchronisationsmechanismus in oszillatorischen Netzwerken mit einer breiten Frequenzverteilung durchgeführt. Insbesondere beobachten wir eine Fernsynchronisation von Netzwerkknoten, die nur indirekt über andere Oszillatoren miteinander gekoppelt sind. Wir erklären den zu Grunde liegenden Mechanismus und zeigen dessen Grenzen und Bedingungen auf. Des weiteren leiten wir einen analytischen Ausdruck für den Mechanismus her und zeigen, dass eine Informationsübertragung in reinen Phasenoszillatoren, wie beispielsweise vom Kuramototyp, eingeschränkt ist. Diese Ergebnisse konnten wir durch Experimente mit elektrischen Schaltkreisen bestätigen.
KW  - Komplexe Systeme
KW  - Synchronisation
KW  - Nichtlineare Dynamik
KW  - Datenanalyse
KW  - complex systems
KW  - synchronization
KW  - nonlinear dynamics
KW  - data analysis
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53407
ER  - 
TY  - THES
A1  - Allefeld, Carsten
T1  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
N2  - Das Forschungsthema Synchronisation bildet einen Schnittpunkt von Nichtlinearer Dynamik und Neurowissenschaft. So hat zum einen neurobiologische Forschung gezeigt, daß die Synchronisation neuronaler Aktivität einen wesentlichen Aspekt der Funktionsweise des Gehirns darstellt. Zum anderen haben Fortschritte in der physikalischen Theorie zur Entdeckung des Phänomens der Phasensynchronisation geführt. Eine dadurch motivierte Datenanalysemethode, die Phasensynchronisations-Analyse, ist bereits mit Erfolg auf empirische Daten angewandt worden. Die vorliegende Dissertation knüpft an diese konvergierenden Forschungslinien an. Ihren Gegenstand bilden methodische Beiträge zur Fortentwicklung der Phasensynchronisations-Analyse, sowie deren Anwendung auf ereigniskorrelierte Potentiale, eine besonders in den Kognitionswissenschaften wichtige Form von EEG-Daten. Die methodischen Beiträge dieser Arbeit bestehen zum ersten in einer Reihe spezialisierter statistischer Tests auf einen Unterschied der Synchronisationsstärke in zwei verschiedenen Zuständen eines Systems zweier Oszillatoren. Zweitens wird im Hinblick auf den viel-kanaligen Charakter von EEG-Daten ein Ansatz zur multivariaten Phasensynchronisations-Analyse vorgestellt. Zur empirischen Untersuchung neuronaler Synchronisation wurde ein klassisches Experiment zur Sprachverarbeitung repliziert, in dem der Effekt einer semantischen Verletzung im Satzkontext mit demjenigen der Manipulation physischer Reizeigenschaften (Schriftfarbe) verglichen wird. Hier zeigt die Phasensynchronisations-Analyse eine Verringerung der globalen Synchronisationsstärke für die semantische Verletzung sowie eine Verstärkung für die physische Manipulation. Im zweiten Fall läßt sich der global beobachtete Synchronisationseffekt mittels der multivariaten Analyse auf die Interaktion zweier symmetrisch gelegener Gehirnareale zurückführen. Die vorgelegten Befunde zeigen, daß die physikalisch motivierte Methode der Phasensynchronisations-Analyse einen wesentlichen Beitrag zur Untersuchung ereigniskorrelierter Potentiale in den Kognitionswissenschaften zu leisten vermag.
N2  - The topic of synchronization forms a link between nonlinear dynamics and neuroscience. On the one hand, neurobiological research has shown that the synchronization of neuronal activity is an essential aspect of the working principle of the brain. On the other hand, recent advances in the physical theory have led to the discovery of the phenomenon of phase synchronization. A method of data analysis that is motivated by this finding - phase synchronization analysis - has already been successfully applied to empirical data. The present doctoral thesis ties up to these converging lines of research. Its subject are methodical contributions to the further development of phase synchronization analysis, as well as its application to event-related potentials, a form of EEG data that is especially important in the cognitive sciences. The methodical contributions of this work consist firstly in a number of specialized statistical tests for a difference in the synchronization strength in two different states of a system of two oscillators. Secondly, in regard of the many-channel character of EEG data an approach to multivariate phase synchronization analysis is presented. For the empirical investigation of neuronal synchronization a classic experiment on language processing was replicated, comparing the effect of a semantic violation in a sentence context with that of the manipulation of physical stimulus properties (font color). Here phase synchronization analysis detects a decrease of global synchronization for the semantic violation as well as an increase for the physical manipulation. In the latter case, by means of the multivariate analysis the global synchronization effect can be traced back to an interaction of symmetrically located brain areas.<BR> The findings presented show that the method of phase synchronization analysis motivated by physics is able to provide a relevant contribution to the investigation of event-related potentials in the cognitive sciences.
T2  - Phase synchronization analysis of event-related brain potentials in language processing
KW  - Synchronisation
KW  - EEG
KW  - Sprachverarbeitung
KW  - Multivariate Analyse
KW  - synchronization
KW  - EEG
KW  - language processing
KW  - multivariate analysis
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001873
ER  - 
TY  - THES
A1  - Rosenblum, Michael
T1  - Phase synchronization of chaotic systems : from theory to experimental applications
N2  - In einem klassischen Kontext bedeutet Synchronisierung die Anpassung der Rhythmen von selbst-erregten periodischen Oszillatoren aufgrund ihrer schwachen Wechselwirkung.  Der Begriff der Synchronisierung geht auf den berühmten niederläandischen Wissenschaftler Christiaan Huygens im 17. Jahrhundert zurück, der über seine Beobachtungen mit Pendeluhren berichtete. Wenn zwei solche Uhren auf der selben Unterlage plaziert wurden, schwangen ihre Pendel in perfekter Übereinstimmung.  Mathematisch bedeutet das, daß infolge der Kopplung, die Uhren mit gleichen Frequenzen und engverwandten Phasen zu oszillieren begannen.  Als wahrscheinlich ältester beobachteter nichtlinearer Effekt wurde die Synchronisierung erst nach den Arbeiten von E. V. Appleton und B. Van der Pol gegen 1920 verstanden, die die Synchronisierung in Triodengeneratoren systematisch untersucht haben. Seitdem wurde die Theorie gut entwickelt, und hat viele Anwendungen gefunden.   Heutzutage weiss man, dass bestimmte, sogar ziemlich einfache, Systeme, ein chaotisches Verhalten ausüben können. Dies bedeutet, dass ihre Rhythmen unregelmäßig sind und nicht durch nur eine einzige Frequenz charakterisiert werden können.  Wie in der Habilitationsarbeit gezeigt wurde, kann man jedoch den Begriff der Phase und damit auch der Synchronisierung auf chaotische Systeme ausweiten. Wegen ihrer sehr schwachen Wechselwirkung treten Beziehungen zwischen den Phasen und den gemittelten Frequenzen auf und führen damit zur Übereinstimmung der immer noch unregelmäßigen Rhythmen. Dieser Effekt, sogenannter Phasensynchronisierung, konnte später in Laborexperimenten anderer wissenschaftlicher Gruppen bestätigt werden.   Das Verständnis der Synchronisierung unregelmäßiger Oszillatoren erlaubte es uns, wichtige Probleme der Datenanalyse zu untersuchen.  Ein Hauptbeispiel ist das Problem der Identifikation schwacher Wechselwirkungen zwischen Systemen, die nur eine passive Messung erlauben. Diese Situation trifft häufig in lebenden Systemen auf, wo Synchronisierungsphänomene auf jedem Niveau erscheinen - auf der Ebene von Zellen bis hin zu makroskopischen physiologischen Systemen; in normalen Zuständen und auch in Zuständen ernster Pathologie.  Mit unseren Methoden konnten wir eine Anpassung in den Rhythmen von Herz-Kreislauf und Atmungssystem in Menschen feststellen, wobei der Grad ihrer Interaktion mit der Reifung zunimmt. Weiterhin haben wir unsere Algorithmen benutzt, um die Gehirnaktivität von an Parkinson Erkrankten zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Kollaboration mit Neurowissenschaftlern zeigen, dass sich verschiedene Gehirnbereiche genau vor Beginn des pathologischen Zitterns synchronisieren. Außerdem gelang es uns, die für das Zittern verantwortliche Gehirnregion zu lokalisieren.
N2  - In a classical context, synchronization means adjustment of rhythms of self-sustained periodic oscillators due to their weak interaction. The history of synchronization goes back to the 17th century when the famous Dutch scientist Christiaan Huygens reported on his observation of synchronization of pendulum clocks: when two such clocks were put on a common support, their pendula moved in a perfect agreement. In rigorous terms, it means that due to coupling the clocks started to oscillate with identical frequencies and tightly related phases. Being, probably, the oldest scientifically studied nonlinear effect, synchronization was understood only in 1920-ies when E. V. Appleton and B. Van der Pol systematically - theoretically and experimentally - studied synchronization of triode generators. Since that the theory was well developed and found many applications.  Nowadays it is well-known that certain systems, even rather simple ones, can exhibit chaotic behaviour. It means that their rhythms are irregular, and cannot be characterized only by one frequency. However, as is shown in the Habilitation work, one can extend the notion of phase for systems of this class as well and observe their synchronization, i.e., agreement of their (still irregular!) rhythms: due to very weak interaction there appear relations between the phases and average frequencies. This effect, called phase synchronization, was later confirmed in laboratory experiments of other scientific groups.  Understanding of synchronization of irregular oscillators allowed us to address important problem of data analysis: how to reveal weak interaction between the systems if we cannot influence them, but can only passively observe, measuring some signals. This situation is very often encountered in biology, where synchronization phenomena appear on every level - from cells to macroscopic physiological systems; in normal states as well as in severe pathologies. With our methods we found that cardiovascular and respiratory systems in humans can adjust their rhythms; the strength of their interaction increases with maturation. Next, we used our algorithms to analyse brain activity of Parkinsonian patients. The results of this collaborative work with neuroscientists show that different brain areas synchronize just before the onset of pathological tremor. Morevoever, we succeeded in localization of brain areas responsible for tremor generation.
KW  - Chaotische Dynamik
KW  - Phase
KW  - Synchronization
KW  - Datenanalyse
KW  - Chaotic dynamics
KW  - phase
KW  - synchronization
KW  - data analysis
Y1  - 2003
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000682
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tönjes, Ralf
T1  - Pattern formation through synchronization in systems of nonidentical autonomous oscillators
T1  - Musterbildung durch Synchronisation in Systemen nicht identischer, autonomer Oszillatoren
N2  - This work is concerned with the spatio-temporal structures that emerge when non-identical, diffusively coupled oscillators synchronize. It contains analytical results and their confirmation through extensive computer simulations. We use the Kuramoto model which reduces general oscillatory systems to phase dynamics. The symmetry of the coupling plays an important role for the formation of patterns. We have studied the ordering influence of an asymmetry (non-isochronicity) in the phase coupling function on the phase profile in synchronization and the intricate interplay between this asymmetry and the frequency heterogeneity in the system. The thesis is divided into three main parts. Chapter 2 and 3 introduce the basic model of Kuramoto and conditions for stable synchronization. In Chapter 4 we characterize the phase profiles in synchronization for various special cases and in an exponential approximation of the phase coupling function, which allows for an analytical treatment. Finally, in the third part (Chapter 5) we study the influence of non-isochronicity on the synchronization frequency in continuous, reaction diffusion systems and discrete networks of oscillators.
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich in Theorie und Simulation mit den raum-zeitlichen Strukturen, die entstehen, wenn nicht-identische, diffusiv gekoppelte Oszillatoren synchronisieren. Wir greifen dabei auf die von Kuramoto hergeleiteten Phasengleichungen zurück. Eine entscheidene Rolle für die Musterbildung spielt die Symmetrie der Kopplung. Wir untersuchen den ordnenden Einfluss von Asymmetrie (Nichtisochronizität) in der Phasenkopplungsfunktion auf das Phasenprofil in Synchronisation und das Zusammenspiel zwischen dieser Asymmetrie und der Frequenzheterogenität im System. Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Kapitel 2 und 3 beschäftigen sich mit den grundlegenden Gleichungen und den Bedingungen für stabile Synchronisation. Im Kapitel 4 charakterisieren wir die Phasenprofile in Synchronisation für verschiedene Spezialfälle sowie in der von uns eingeführten exponentiellen Approximation der Phasenkopplungsfunktion. Schliesslich untersuchen wir im dritten Teil (Kap.5) den Einfluss von Nichtisochronizität auf die Synchronisationsfrequenz in kontinuierlichen, oszillatorischen Reaktions-Diffusionssystemen und diskreten Netzwerken von Oszillatoren.
KW  - Synchronisation
KW  - Musterbildung
KW  - Phasen-Gleichungen
KW  - Phasen-Oszillatoren
KW  - Kuramoto Modell
KW  - synchronization
KW  - pattern formation
KW  - phase equations
KW  - phase oscillators
KW  - Kuramoto model
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-15973
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Omelʹchenko, Oleh E.
T1  - Nonstationary coherence-incoherence patterns in nonlocally coupled heterogeneous phase oscillators
JF  - Chaos : an interdisciplinary journal of nonlinear science
N2  - We consider a large ring of nonlocally coupled phase oscillators and show that apart from stationary chimera states, this system also supports nonstationary coherence-incoherence patterns (CIPs). For identical oscillators, these CIPs behave as breathing chimera states and are found in a relatively small parameter region only. It turns out that the stability region of these states enlarges dramatically if a certain amount of spatially uniform heterogeneity (e.g., Lorentzian distribution of natural frequencies) is introduced in the system. In this case, nonstationary CIPs can be studied as stable quasiperiodic solutions of a corresponding mean-field equation, formally describing the infinite system limit. Carrying out direct numerical simulations of the mean-field equation, we find different types of nonstationary CIPs with pulsing and/or alternating chimera-like behavior. Moreover, we reveal a complex bifurcation scenario underlying the transformation of these CIPs into each other. These theoretical predictions are confirmed by numerical simulations of the original coupled oscillator system.
KW  - chimera states
KW  - synchronization
KW  - networks
KW  - Kuramoto
KW  - populations
KW  - dynamics
KW  - bumps
KW  - model
Y1  - 2020
U6  - https://doi.org/10.1063/1.5145259
SN  - 1054-1500
SN  - 1089-7682
VL  - 30
IS  - 4
PB  - American Institute of Physics
CY  - Melville
ER  - 
TY  - THES
A1  - Vlasov, Vladimir
T1  - Synchronization of oscillatory networks in terms of global variables
T1  - Synchronisation in Netzwerken von Oszillatoren via globaler Variabler
N2  - Synchronization of large ensembles of oscillators is an omnipresent phenomenon observed in different fields of science like physics, engineering, life sciences, etc. The most simple setup is that of globally coupled phase oscillators, where all the oscillators contribute to a global field which acts on all oscillators. This formulation of the problem was pioneered by Winfree and Kuramoto. Such a setup gives a possibility for the analysis of these systems in terms of global variables. In this work we describe nontrivial collective dynamics in oscillator populations coupled via mean fields in terms of global variables. We consider problems which cannot be directly reduced to standard Kuramoto and Winfree models.
		
In the first part of the thesis we adopt a method introduced by Watanabe and Strogatz.  The main idea is that the system of identical oscillators of particular type can be described by a low-dimensional system of global equations. This approach enables us to perform a complete analytical analysis for a special but vast set of initial conditions. Furthermore, we show how the approach can be expanded for some nonidentical systems. We apply the Watanabe-Strogatz approach to arrays of Josephson junctions and systems of identical phase oscillators with leader-type coupling. 
	
In the next parts of the thesis we consider the self-consistent mean-field theory method that can be applied to general nonidentical globally coupled systems of oscillators both with or without noise. For considered systems a regime, where the global field rotates uniformly, is the most important one. With the help of this approach such solutions of the self-consistency equation for an arbitrary distribution of frequencies and coupling parameters can be found analytically in the parametric form, both for noise-free and noisy cases.

We apply this method to deterministic Kuramoto-type model with generic coupling and an ensemble of spatially distributed oscillators with leader-type coupling. Furthermore, with the proposed self-consistent approach we fully characterize rotating wave solutions of noisy Kuramoto-type model with generic coupling and an ensemble of noisy oscillators with bi-harmonic coupling.
	
Whenever possible, a complete analysis of global dynamics is performed and compared with direct numerical simulations of large populations.
N2  - Die Synchronisation einer großen Menge von Oszillatoren ist ein omnipräsentes Phänomen, das in verschiedenen Forschungsgebieten wie Physik, Ingenieurwissenschaften, Medizin und Weiteren beobachtet wird. In der einfachsten Situation ist von einer Menge Phasenoszillatoren jeder mit dem Anderen gekoppelt und trägt zu einem gemeinsamen Feld (dem sogenannten mean field) bei, das auf alle Oszillatoren wirkt. Dieser Formulierung wurde von Winfree und Kuramoto der Weg bereitet und sie birgt die Möglichkeit einer Analyse des Systems mithilfe von globalen Variablen. In dieser Arbeit beschreiben wir mithilfe globaler Variablen die nicht-triviale kollektive Dynamik von Oszillatorpopulationen, welche mit einem mean field verbunden sind. Wir beschäftigen uns mit Problemen die nicht direkt auf die Standardmodelle von Kuramoto und Winfree reduziert werden können.
Im ersten Teil der Arbeit verwenden wir eine Methode die auf Watanabe und Stro- gatz zurückgeht. Die Hauptidee ist, dass ein System von identischen Oszillatoren eines bestimmten Typs durch ein niedrig-dimensionales System von globalen Gleichungen beschrieben werden kann. Dieser Ansatz versetzt uns in die Lage eine vollständige analytische Untersuchung für eine spezielle jedoch große Menge an Anfangsbedingungen durchzuführen. Wir zeigen des Weiteren wie der Ansatz auf nicht-identische Systeme erweitert werden kann. Wir wenden die Methode von Watanabe und Strogatz auf Reihen von Josephson-Kontakten und auf identische Phasenoszillatoren mit einer Anführer-Kopplung an.
Im nächsten Teil der Arbeit betrachten wir eine selbst-konsistente mean-field-Methode, die auf allgemeine nicht-identische global gekoppelte Phasenoszillatoren mit oder ohne Rauschen angewendet werden kann. Für die betrachteten Systeme gibt es ein Regime, in dem die globalen Felder gleichförmig rotieren. Dieses ist das wichtigste Regime. Es kann mithilfe unseres Ansatzes als Lösung einer Selbstkonsistenzgleichung für beliebige Verteilungen der Frequenzen oder Kopplungsstärken gefunden werden. Die Lösung liegt in einer analytischen, parametrischen Form sowohl für den Fall mit Rauschen, als auch für den Fall ohne Rauschen, vor. Die Methode wird auf ein deterministisches System der Kuramoto-Art mit generischer Kopplung und auf ein Ensemble von räumlich verteilten Oszillatoren mit Anführer-Kopplung angewendet. Zuletzt sind wir in der Lage, die Rotierende-Wellen-Lösungen der Kuramoto-artigen Modelle mit generischer Kopplung, sowie ein Ensemble von verrauschten Oszillatoren mit bi-harmonischer Kopplung, mithilfe des von uns vorgeschlagenen selbst-konsistenten Ansatzes vollständig zu charakterisieren.
Wann immer es möglich war, wurde eine vollständige Untersuchung der globalen Dynamik durchgeführt und mit numerischen Ergebnissen von großen Populationen verglichen.
KW  - synchronization
KW  - Synchronisation
KW  - complex networks
KW  - komplexe Netzwerke
KW  - global description
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78182
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yeldesbay, Azamat
T1  - Complex regimes of synchronization
T1  - Komplexe Synchronisationszustände
BT  - modeling and analysis
N2  - Synchronization is a fundamental phenomenon in nature. It can be considered as a general property of self-sustained oscillators to adjust their rhythm in the presence of an interaction. 

In this work we investigate complex regimes of synchronization phenomena by means of  theoretical analysis, numerical modeling, as well as practical analysis of experimental data.

As a subject of our investigation we consider chimera state, where due to spontaneous symmetry-breaking of an initially homogeneous oscillators lattice split the system into two parts with different dynamics.  Chimera state as a new synchronization phenomenon was first found in non-locally coupled oscillators system, and has attracted a lot of attention in the last decade. However, the recent studies indicate that this state is also possible in globally coupled systems. In the first part of this work, we show under which conditions the chimera-like state appears in a system of globally coupled identical oscillators with intrinsic delayed feedback. The results of the research explain how initially monostable oscillators became effectivly bistable in the presence of the coupling and create a mean field that sustain the coexistence of synchronized and desynchronized states. Also we discuss other examples, where chimera-like state appears due to frequency dependence of the phase shift in the bistable system.

In the second part, we make further investigation of this topic by modeling influence of an external periodic force to an oscillator with intrinsic delayed feedback. We made stability analysis of the synchronized state and constructed Arnold tongues. The results explain formation of the chimera-like state and hysteric behavior of the synchronization area. Also, we consider two sets of parameters of the oscillator with symmetric and asymmetric Arnold tongues, that correspond to mono- and bi-stable regimes of the oscillator.

In the third part, we demonstrate the results of the work, which was done in collaboration with our colleagues from Psychology Department of University of Potsdam. The project aimed to study the effect of the cardiac rhythm on human perception of time using synchronization analysis. From our part, we made a statistical analysis of the data obtained from the conducted experiment on free time interval reproduction task. We examined how ones heartbeat influences the time perception and searched for possible phase synchronization between heartbeat cycles and time reproduction responses. The findings support the prediction that cardiac cycles can serve as input signals, and is used for reproduction of time intervals in the range of several seconds.
N2  - Synchronisation ist ein fundamentales Naturphänomen. Es ist die grundlegende Eigenschaft sich selbsterhaltender Oszillatoren, in Gegenwart einer Wechselwirkung, danach zu streben, ihre Rhythmen anzupassen.

In dieser Arbeit betrachten wir komplexe Synchronisationszustände sowohl mit Hilfe analytischer Methoden als auch durch numerische Simulation und in experimentellen Daten. 

Unser Untersuchungsobjekt sind die sogenannten Chimera Zustände, in welchen sich Ensemble  von gekoppelten, identischen Oszillatoren auf Grund eines Symmetriebruches spontan in Gruppen mit unterschiedlicher Dynamik aufteilen. Die Entdeckung von Chimeras in zunächst nichtlokal gekoppelten Systemen hat in den letzten zehn Jahren ein großes Interesse an neuartigen Synchronisationsphänomenen geweckt. Neueste Forschungsergebnisse belegen, dass diese Zustände unter bestimmten Bedingungen auch in global gekoppelten Systemen existieren können. Solche Bedingungen werden im ersten Teil der Arbeit in Ensemblen global gekoppelter Oszillatoren mit zusätzlicher, zeitverzögerter Selbstkopplung untersucht. Wir zeigen, wie zunächst monostabile Oszillatoren in Gegenwart von dem Treiben der globalen Kopplung effektiv bistabil werden, und sich so in zwei Gruppen organisieren. Das mittlere Feld, welches durch diese Gruppen aufgebaut wird, ist quasiperiodisch wodurch der Chimera Zustand sich selbst stabilisiert. In einem anderen Beispiel zeigen wir, dass der Chimera Zustand auch durch einen frequenzabhängigen Phasenunterschied in der globalen Kopplung erreicht werden kann.

Zur genaueren Untersuchung der Mechanismen, die zur effektiven Bistabilität führen, betrachten wir im zweiten Teil der Arbeit den Einfluss einer externen periodischen Kraft auf einzelne Oszillatoren mit zeitverzögerter Selbstkopplung. Wir führen die Stabilitätanalyse des synchronen Zustands durch, und stellen die Arnoldzunge dar. 

Im dritten Teil der Arbeit stellen wir die Ergebnisse einer Synchronisationsanalyse vor, welche in Kooperation mit Wissenschaftlern der Psychologischen Fakultät der Universität Potsdam durchgeführt wurde. In dem Projekt wurde die Auswirkung des Herzrhythmus auf die menschliche Zeitwahrnehmung erforscht. Unsere Aufgabe war es, die experimentellen Daten statistisch zu analysieren. Im Experiment sollten Probanden ein gegebenes Zeitintervall reproduzieren während gleichzeitig ihr Herzschlag aufgezeichnet wurde. Durch eine Phasenanalyse haben wir den Zusammenhang zwischen dem Herzschlag und der Start- bzw. Stoppzeit der zu reproduzierenden Zeitintervalle untersucht. Es stellt sich heraus, dass Herzschläge bei Zeitintervallen über einige Sekunden als Taktgeber dienen können.
KW  - synchronization
KW  - phase oscillators
KW  - chimera state
KW  - time perception
KW  - Synchronisation
KW  - Phasen Oszillatoren
KW  - chimera Zustände
KW  - zeitverzögerte Selbstkopplung
KW  - Synchronisationsanalyse
KW  - Zeitwahrnehmung
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73348
ER  -