Μελέτη της χωροχρονικής συμπεριφοράς δικτύων συζευγμένων μη γραμμικών ηλεκτροχημικών συστημάτων

Abstract

The objectives of the Doctoral Thesis are on one side the simulation of operation of an electrical synapse in a network of neural bursting oscillators with corresponding networks that have as structural units electrochemical bursting oscillators and on the other side the simulation of operation of chemical synapse in a network of neural oscillators with corresponding electrochemical oscillators. It is known from previous studies that neural systems and electrochemical oscillators exhibit a number of similarities such as common nature, existence, in both systems, of a membrane or electrochemical interface that is permeable to various chemical species etc. Based on these common properties we come up to the conclusion that properly manufactured electrochemical systems could be used to understand, up to a certain point, of the phenomena that take place in neural systems. For the simulation of the neural chemical synapse a specially manufactured construction is used through which chemical perturbations are applied on the interface of the electrochemical oscillator Fe/ H2SO4 while the system is under potentiostatic conditions. The system’s response depends on it’s dynamical properties which in turn are defined by the applied potential. The effect of the type and the concentration of the halide ions on the response of the electrochemical oscillator Fe/ H2SO4 is examined. It arises that the periodic oscillations are replaced by bursting oscillations which appear in two regions of the applied potential. In the cathodic region the oscillations are of elliptic type while in the anodic region they are of square wave type. For the simulation of the neural electrical synapse between two bursting oscillators a pair of iron electrodes is used which are immersed in a common electrolytic solution containing appropriate quantities of halide ions for each iron electrode to exhibit bursting oscillations. The parameters examined are the strength ant the type of the synapse. The synchronization patterns observed depend on the type of bursting oscillators. The results that arise coincide with experimental results from the field of neural networks. Finally two kinetic scenarios are proposed to interpret the electrodissolution and passivation of iron as well as the effect of the halide ions on the above system.

Στόχοι της Διδακτορικής Διατριβής είναι αφενός η προσομοίωση της λειτουργίας της ηλεκτρικής σύναψης σε ένα δίκτυο νευροφυσιολογικών θυσανοειδών ταλαντωτών με αντίστοιχα δίκτυα που έχουν ως δομικές μονάδες ηλεκτροχημικούς θυσανοειδείς ταλαντωτές και αφετέρου η προσομοίωση της λειτουργίας της χημικής σύναψης σε ένα δίκτυο νευροφυσιολογικών ταλαντωτών με αντίστοιχους ηλεκτροχημικούς. Είναι γνωστό από προηγούμενες μελέτες ότι τα νευροφυσιολογικά συστήματα και οι ηλεκτροχημικοί ταλαντωτές παρουσιάζουν μια σειρά από κοινές ιδιότητες όπως κοινή φύση, ύπαρξη και στα δύο συστήματα μιας μεμβράνης ή ηλεκτροχημικής διεπιφάνειας που είναι περατή σε συγκεκριμένα είδη κ.λ.π. Επομένως με βάση τις κοινές αυτές ιδιότητες προκύπτει ότι κατάλληλα κατασκευασμένα ηλεκτροχημικά συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την κατανόηση, ως ένα βαθμό, των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στα νευρωνικά συστήματα. Για την προσομοίωση της νευροφυσιολογικής χημικής σύναψης χρησιμοποιείται μια κατάλληλα κατασκευασμένη διάταξη μέσω της οποίας επιβάλλονται χημικές διαταραχές στη διεπιφάνεια του ηλεκτροχημικού ταλαντωτή Fe/ H2SO4, ενώ το σύστημα βρίσκεται υπό ποτενσιοστατικές συνθήκες. Η απόκριση του συστήματος εξαρτάται από τις δυναμικές ιδιότητές του οι οποίες καθορίζονται από το επιβαλλόμενο δυναμικό. Στη συνέχεια εξετάζεται η επίδραση του είδους και της συγκέντρωσης των αλογόνων στην απόκριση του ηλεκτροχημικού ταλαντωτή Fe/ H2SO4. Από τα αποτελέσματα προκύπτει ότι οι περιοδικές ταλαντώσεις δίνουν τη θέση τους σε θυσανοειδείς, οι οποίες εμφανίζονται σε διαφορετικές περιοχές δυναμικών και είναι δύο τύπων. Στην καθοδικότερη περιοχή είναι ελλειπτικού τύπου, ενώ στην ανοδικότερη είναι τύπου τετραγωνικού κύματος. Για την προσομοίωση της νευροφυσιολογικής ηλεκτρικής σύναψης ανάμεσα σε δύο θυσανοειδείς ταλαντωτες χρησιμοποιείται ένα ζεύγος ηλεκτροδίων σιδήρου τα οποία εμβαπτίζονται σε κοινό ηλεκτρολυτικό διάλυμα που περιέχει κατάλληλες ποσότητες αλογόνων, ώστε το κάθε ηλεκτρόδιο να εμφανίζει θυσανοειδείς ταλαντώσεις. Οι παράμετροι που μεταβάλλονται είναι η ένταση της σύζευξη και το είδος της σύζευξης. Τα είδη των συγχρονισμού που παρατηρούνται εξαρτώνται από το είδος των θυσανοειδών ταλαντωτών. Το σύνολο των αποτελεσμάτων που προκύπτουν συμπίπτουν με ανάλογα πειραματικά αποτελέσματα από το πεδίο της νευροφυσιολογίας. Τέλος προτείνονται δύο κινητικά σενάρια για την ηλεκτροδιάλυση και παθητικοποίηση του σιδήρου όσο και για την επίδραση των αλογόνων.