- عنوان کتاب: Analysis of a Model for Epilepsy
- نویسنده: Candace M. Kent
- سال انتشار: 2022
- حوزه: مدل های ریاضی
- تعداد صفحه: 172
- زبان اصلی: انگلیسی
- نوع فایل: pdf
- حجم فایل: 7.32 مگابایت
در دهه های 1960 و 1970، زیست شناسان ریاضی سر رابرت ام می 1، E.C. Pielou2 و دیگران استفاده از معادلات تفاوت را به عنوان مدل هایی از موقعیت های زندگی واقعی رایج کردند. در آن زمان، مدلهای آنها از پویایی جمعیت، شامل اکولوژی و اپیدمیولوژی بود. از آن زمان، با یا بدون کاربرد، ریاضیات معادلات تفاضل به میدانی برای خود تبدیل شده است. معادلات تفاوت با تابع ماکزیمم (یا حداقل یا “نوع رتبه”) به طور دقیق از اواسط دهه 1990 تا 2000 مورد بررسی قرار گرفت، بدون اینکه هیچ کاربردی در ذهن داشته باشیم. این معادلات اغلب شامل آرگومانهایی میشدند که از جملههای متقابل با پارامترهای موجود در شمارندهها تا سایر توابع ویژه متفاوت بودند. اخیراً، کنت و همکاران 3 در سال 2018 اولین کاربرد شناخته شده معادله تفاوت “max-type” را بررسی کردند. معادله آنها یک مدل پدیدارشناختی از تشنجات صرع است. در اینجا ما آن تحقیق را گسترش می دهیم و توسعه جامع تری از نتایج ریاضی، عددی و بیولوژیکی ارائه می دهیم. ما از یک معادله اختلاف غیرخودمختار (یعنی داشتن پارامترهای ضریب دوره ای)، مرتبه دوم، متقابل، حداکثر نوع استفاده می کنیم که دارای یک تابع آستانه، به ویژه تابع Heaviside، برای نشان دادن تشنج های کانونی (یعنی موضعی) یک تشنج بسیار رایج است. شکلی از صرع به نام صرع مزیال یا داخلی لوب تمپورال. تابع Heaviside، با آستانه ϵ، از نامحدود شدن راه حل ها جلوگیری می کند تا بتوانند به طور واقع بینانه شروع و خاتمه تشنج های کانونی را نشان دهند. ما به ϵ به عنوان “آستانه تشنج” اشاره می کنیم که برای تجزیه و تحلیل های ریاضی، بیولوژیکی و عددی ما مرکزی است. مدل ما پدیدارشناختی است و بنابراین به تشنج در سطح شیمیایی یا درون سلولی نمیپردازد. در عوض، به دنبال توصیف ارتباطات تجربی بین آستانه تشنج و ایجاد یا حذف تشنج است. بینش آن بر حسب مقادیر اندازهگیری شده متغیرها ارائه نمیشود، بلکه در عوض توصیفی از روابط مشاهدهشده بین پدیدهها است که به اندازه کافی کلی است تا راه را برای گفتگو و سؤالات بیشتر هموار کند. همچنین، مدل ما بازگشتی است، و به خوبی منعکس کننده آن چیزی است که ما ماهیت بازگشتی فرآیندهای سیگنال دهی عصبی نوسانی را حفظ می کنیم. مطالعات عددی شامل نمودارهای انشعاب با توجه به پارامتر ε است. ما اساساً سه نوع راه حل را در طیف مقادیر ϵ که توسط نمودارهای انشعاب آشکار می شود مشاهده می کنیم، و عمدتاً با تجزیه و تحلیل ریاضی با استفاده از ابزارهای در اختیار معادلات تفاوت مانند تجزیه و تحلیل نیمه چرخه به روش های منحصر به فرد و پیچیده ای اثبات می شوند. در بخش “وسط” طیف مشاهده شده، راه حل ها در نهایت دوره ای با دوره های نسبتا کوچک هستند که نشان دهنده عود ثابت تشنج ها هستند. در انتهای سمت راست طیف مشاهده شده، محلول ها نیز در نهایت دوره ای هستند، معمولاً با دوره 4، اما نشان دهنده یک حالت تا حدی یا کاملاً بدون تشنج هستند. در سمت چپ طیف، راه حل های غیرعادی وجود دارد که ممکن است در نهایت دوره ای باشند یا نباشند. چنین ناهنجاریهایی شبیه به حلهای تقریباً دورهای دیگر انواع معادلات تفاوت هستند، اما دقیقاً مشابه نیستند. این محلولها در انتهای سمت چپ طیف ϵ مشاهدهشده نیز نشاندهنده حضور تشنجهای مکرر هستند که ویژگیهای آن بسیار متغیر است.
In the 1960s and 1970s, mathematical biologists Sir Robert M. May1, E.C. Pielou2, and others popularized the use of difference equations as models of real-life situations. At the time, their models were of population dynamics, involving ecology and epidemiology. Since then, with or without applications, the mathematics of difference equations has evolved into a field unto itself. Difference equations with the maximum (or the minimum or the “rank-type”) function were rigorously investigated from the mid-1990s into the 2000s, with- out any applications in mind. These equations often involved arguments vary- ing from reciprocal terms with parameters in the numerators to other spe- cial functions. Recently, Kent and colleagues3 in 2018 investigated the first known application of a “max-type” difference equation. Their equation is a phenomenological model of epileptic seizures. Here we expand on that research and present a more comprehensive development of mathematical, numerical, and biological results. We employ a nonautonomous (i.e., having periodic coefficient parameters), second-order, reciprocal, max-type difference equation incorporating a thresh- old function, specifically the Heaviside function, to represent the focal (i.e., local) seizures of a particularly common form of epilepsy called mesial, or medial, temporal lobe epilepsy. The Heaviside function, with its threshold ϵ, prevents solutions from becoming unbounded so that they can realistically represent the initiation and termination of focal seizures. We refer to ϵ as the “seizure threshold,” which is central to our mathematical, biological, and numerical analyses. Our model is phenomenological, and thus does not con- cern itself with seizures at the chemical or subcellular level. Instead, it seeks to describe the empirical connections between the seizure threshold and the elicitation or elimination of seizures. Its insights are not given in terms of mea- sured values of variables but instead are descriptions of observed relationships between phenomena that are general enough to pave the way for dialogue and further questions. Also, our model is recursive, and so nicely reflects what we maintain to be the recursive nature of oscillatory neuronal signaling processes. The numerical studies consist of bifurcation diagrams with respect to the parameter ϵ. We observe essentially three kinds of solutions over the spectrum of ϵ values disclosed by the bifurcation diagrams, and are mostly substantiated by mathematical analysis using in unique and intricate ways the tools at the disposal of difference equations such as semicycle analysis. Over the “middle” section of the observed spectrum, solutions are eventually periodic with rela- tively small periods representing the invariant recurrence of seizures. Over the right end of the observed spectrum, solutions are also eventually periodic, usu- ally with period 4, but represent a partially or completely seizure-free state. Over the left end of the spectrum, there exist anomalous solutions that may or may not be eventually periodic. Such anomalies are addressed as akin to but not exactly the same as almost periodic solutions of other types of differ- ence equations. These solutions at the left end of the observed ϵ spectrum also represent the presence of recurrent seizures whose characteristics are highly variable.
این کتاب را میتوانید از لینک زیر بصورت رایگان دانلود کنید:
Download: Analysis of a Model for Epilepsy
نظرات کاربران