A víz alatti mozgás mechanikája és idegi szabályozása
Title in English
Mechanics and neural control of aquatic locomotion
Keywords in Hungarian
optimalizálás, központi mintagenerátor (CPG), haladóhullám, kollektív mozgás
Keywords in English
optimisation, central pattern generator (CPG), traveling wave, collective motion
Discipline
Technical Mechanics (Council of Physical Sciences)
60 %
Ortelius classification: Control engineering
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Biomechanics
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)
20 %
Ortelius classification: Neurobiology
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Mechanics, Materials and Structures (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2008-04-01
Closing date
2012-08-31
Funding (in million HUF)
3.935
FTE (full time equivalent)
3.26
state
closed project
Summary in Hungarian
A pályázat célja vízi állatok hatékony mozgását, illetve állatcsoportok összehangolt mozgását lehetővé tevő mechanikai és idegi mechanizmusok vizsgálata. Az ingolák és más megnyúlt testű halak robusztus alakú kígyózó mozgással haladnak előre, amely független az úszás sebességétől, és az egyes egyedek között kicsi eltérést mutat. Célom a mozgást létrehozó mechanikai-neurális rendszerben a mintázatot stabilizáló hatásoknak és ezen keresztül a mozgás szabályozásában kulcsszerepet játszó központi mintageneráló (CPG) hálózat felépítésének a jobb megértése a CPG biológiai modelljeinek csatolt fázisoszcillátorokra való redukálása révén. Halrajokban és számos más csoportosan mozgó állatnál ezzel szemben elsősorban a tagok közötti szociális kölcsönhatásokat tartják felelősnek a mozgásirányuk hatékony és robusztus összehangolásáért. Ezen a területen célom az egyedek közötti helyi mechanikai kölcsönhatások (testkontaktus, ütközések) szerepének és fontosságának tisztázása az együttes mozgásmintázat kialakításában, egyed szintű numerikus csoportmodell segítségével.
Summary
The research proposal focuses on mechanical and neural mechanisms that control locomotion of individual aquatic animals as well as the collective motion of animal groups. Lampreys and other slender fish use a robust pattern of undulation, which shows little individual variations and it is independent of swimming speed. I propose to reduce existing biological models of the central pattern generator (CPG) to coupled phase-oscillators in order to better understand the mechanisms in the neuro-mechanical locomotor network of the animals that stabilize their swimming patterns. I also expect to gain new information about the architecture of the CPG. On the other hand, in fish schools and many other animal groups, local social interactions between nearby individuals are considered responsible for the robust and efficient harmonization of moving directions of group members. Here my goal is to explore the role and importance of mechanical interactions (body contact, collisions) between individuals in organizing the collective behaviour using individual-based computational models of group dynamics
Final report
Results in Hungarian
A kutatómunka során víz közegben történő mozgás szabályzásának mechanikai és idegtudományi kérdéseivel foglalkoztam, beleértve egyes egyedek, illetve állatcsoportok mozgásának vizsgálatát. A legprimitívebb felépítésű gerinces állatcsoport (az ingolák) vizsgálata során kimutattuk, hogy a mozgást vezérlő idegi hálózat kísérleti adatok alapján felépített modelljei hibásak, és ezért nem egyezik meg viselkedésük a valódi állatokéval. A számítógépes modellek komplexitását redukálva analitikus eszközökkel egy új, a korábbiaknál jobb viselkedést mutató mozgásvezérlő mechanizmusra tettem javaslatot. Az összehangolt csoportos mozgás kérdéskörében is a legegyszerűbb hatékony szabályozási mechanizmus azonosítására törekedtem. Kimutattam, hogy kétdimenziós térben mozgó koherens állatcsoportok viszonylag kis egyedszám esetén képesek spontán ütközések útján hatékonyan ’kommunikálni’, míg nagy egyedszám esetén a mechanikai kölcsönhatások fontosak, de önmagukban nem elég hatékonyak.
Results in English
The mechanical and neural aspects of aquatic locomotion have been investigated on the level of individual agents as well as of coherent groups of individuals. We focused on central pattern generators of lampreys – a group of primitive vertebrates – and found that computational models of these networks of neurons fail to capture the behavior and the underlying mechanism of the real system. By reducing the complexity of existing models and by the use of analytic techniques a new mechanism of better performance has been proposed. Another focus of the research was the coherent motion of groups, where we again intended to identify the simplest underlying mechanism. It has been shown that relatively small groups of individuals are able to effectively communicate and come to ‘agreement’ with respect to a common direction of motion through spontaneous collisions; in bigger groups, the same mechanism is important but insufficient in itself.
