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Chimeras in physics and biology : Synchronization and desynchronization of rhythms
Schöll, Eckehard
Rhythmen prägen unser Leben auf vielfältige Weise, z. B. durch Herzschlag und Atmung, oszillierende Gehirnströme, Lebenszyklen und Jahreszeiten, Uhren und Metronome, pulsierende Laser, Übertragung von Datenpaketen, und vieles andere. Die Physik komplexer nichtlinearer Systeme hat Methoden entwickelt, wie periodische Schwingungen und deren Synchronisation in komplexen Netzwerken, die aus vielen Bestandteilen zusammengesetzt sind, beschrieben und analysiert werden können. Synchronisierte Oszillationen, aber auch völlig desynchronisierte, chaotische Oszillationen spielen eine große Rolle in vielen Netzwerken in Natur und Technik. Beispielsweise ist das synchronisierte Feuern aller Neuronen im Gehirn ein pathologischer Zustand, etwa bei Epilepsie oder Parkinson-Erkrankung, und sollte unterdrückt werden, wie auch synchrone mechanische Schwingungen von Brücken. Andererseits ist die Synchronisation erwünscht beim stabilen Betrieb von Stromnetzen oder bei der verschlüsselten Kommunikation mit chaotischen Signalen. In Netzwerken aus identischen Komponenten können sich überraschenderweise auch spontan Hybrid-Zustände („Schimären“) bilden, die aus räumlich koexistierenden synchronisierten und desynchronisierten Bereichen bestehen, welche scheinbar nicht zusammen passen. Diese könnten relevant sein bei der Auslösung oder Beendigung epileptischer Anfälle, oder beim halbseitigen Schlaf einer Gehirnhälfte, der bei bestimmten Zugvögeln oder Säugetieren auftritt, oder beim kaskadenartigen Zusammenbruch des Stromnetzes.
Rhythms influence our life in various ways, e.g., through heart beat and respiration, oscillating brain currents, life cycles and seasons, clocks and metronomes, pulsating lasers, transmission of data packets, and many others. The physics of complex nonlinear systems has developed methods to describe and analyze periodic oscillations and their synchronization in complex networks, which are composed of many components. Synchronized oscillations as well as completely asynchronous chaotic oscillations play a major role in many networks in nature and technology. For instance, the synchronous firing of all neurons in the brain represents a pathological state, like in epilepsy or Parkinson’s disease, and should be suppressed, as well as the synchronous mechanical vibration of bridges. On the other hand, synchronization is desirable for the stable operation of power grids or in encrypted communication with chaotic signals. In networks composed of identical components, intriguing hybrid states (“chimeras”) may form spontaneously, which consist of spatially coexisting synchronized and desynchronized domains, i.e., seemingly incongruous parts. This might be of relevance in inducing and terminating epileptic seizures, or in unihemispheric sleep which is found in certain migratory birds and mammals, or in cascading failures of the power grid.
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Published in: Zeit in Natur und Kultur : Vorträge anlässlich der Jahresversammlung am 20. und 21. September 2019 in Halle (Saale), 10.26164/leopoldina_10_00275, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart
