Small-World modelinde yeniden yapılandırma ve gürültülü sinaptik iletkenliğin talamokortikal yavaş dalgalar üzerindeki etkileri
In Small-World model the effects of rewiring and noisy synaptic conductivity on talamocortical slow waves
Yazar: RAMAZAN TEKİN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET EMİN TAĞLUK
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Beyin, farklı durum ve davranışlara bağlı olarak birçok frekans bileşenden oluşan çeşitli salınımlar ortaya çıkarabilmektedir. Normal beyin fonksiyonları birçok beyin bölgesinin eş zamanlı oluşturduğu senkronize salınımlar ile ilintilidir. Bu senkronizasyonun bozulması durumunda beyin fonksiyonlarında anormallikler oluşmaktadır. Bu salınımların bozulması birtakım nörolojik ve nöropsikolojik rahatsızlıkların oluşması ile ilişkilendirilmiştir. Birçok doğal ve biyolojik sistemde olduğu gibi, sinir hücrelerinde de önemli olgular olan topolojik yapı ve sinaptik gürültünün normal beyin fonksiyonlarında kritik bir öneme sahip olduğu bilinmekte, ancak senkronize yavaş salınımlı beyin dalgaları üzerinde nasıl bir etkiye sahip oldukları cevaplanması gereken önemli bir sorudur.
	Bu çalışmada, derin uyku ve anestezi sırasında ortaya çıkan ve günlük hayatta edinilen deneyimlerin hafızada kalıcı hale gelmesine yardımcı olduğu düşünülen yavaş dalga ritimleri incelenmiştir. Korteks ve alt kortikal bir bölge olan talamus ile ilişkili bu salınımların Small-World (SW) ağ modelinde yeniden yapılandırma ve sinaptik iletkenlik gürültüsüne bağlı olarak yavaş dalga aktivitesinde oluşan değişimler öncelikle bu beyin bölgeleri izole edilerek analiz edilmiştir. Daha sonra bu iki beyin bölgesinin karşılıklı projeksiyonlar ile bağlandığı talamokortikal sistem üzerinde analizler yapılmıştır. Bu analizler aracılığıyla toplam ağ aktivitesi karakterize edilmiş ve ağın spektral içeriği belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, SW'nin topolojik yapısındaki yeniden yapılandırma ve sinaptik iletkenlik gürültüsünün hücrelerin içsel ritmik spike aktivitelerinin eşevresel ve senkronize oluşumunda kritik bir önemi olduğu görülmüştür.  Talamokortikal ağlarda, uygun SW yeniden yapılandırma olasılık ve gürültülü sinaptik iletkenliğin standart sapma değerlerinde uzaysal senkronizasyon ve zamansal ritmik aktivitenin yüksek seviyede olduğu salınımların oluştuğu görülmüştür.

Abstract:
Brain, depending on its different behaviors and conditions, generates waves which formed from many frequency components. A normal brain function correlates with simultaneously generated synchronous waves in various brain zones.  With extermination of this synchronization abnormalities do occur in brain functions. Also disruption of brain waves has been linked to formation of some of neurological and neuropsychological diseases. As in many natural and biological systems, in neuronal cells the effect of topological structure and phenomenological conditions in formation of synchronized waves which have a critical importance in normal brain function is an important question need to be answered.   
	In this study, small waves which are commonly occurring during deep sleep and anesthesia and considered to help in daily life experiences to permanently remain in the memory are analyzed. The changes in the activity of small waves related to cortex and thalamus a sub cortical zone were analyzed in terms of Small-World (SW) network rewiring probability and standard deviation of noisy synaptic conductivity when these regions were isolated.  Subsequently analysis were conducted on the talamocortical system in which the projections of these two regions are interconnected. Through this analysis the total activity of network are characterized and the spectral content of networks were identified. According to the obtained results, it was found that the rewiring probability and noisy synaptic conductivity in the topological structure of SW network have a critical importance in formation of phase alignment and synchronization of the internal rhythmic spike activities. In talamocortical networks with suitable rewiring probability and noisy synaptic conductivity, wave shapes with high level of spatial synchronization and temporal rhythmic activity were observed.