Explosions de cycles : analyses qualitatives, simulations numériques et modèles

par Lucile Mégret

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Frédérique Clément et de Jean-Pierre Françoise.

Soutenue le 25-11-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale de Sciences mathématiques de Paris Centre (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Jacques-Louis Lions (laboratoire) et de Multiscale dYnamiCs in neuroENdocrine AxEs (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Haraux.

Le jury était composé de Mathieu Desroches, Tony Guillamon, Maciej Krupa.

Les rapporteurs étaient Jacques Demongeot, Peter De Maesschalck.


  • Résumé

    Ce travail porte sur de nouvelles explosions de cycles (orbites périodiques), l'étude de leur structure par l'analyse qualitative, leur mise en évidence par simulation numérique (Auto, Xpp) et la discussion de leur pertinence dans des modèles mathématiques dans les neurosciences. De telles explosions se produisent dans les systèmes dynamiques lents-rapides. La plupart des neurones sont excitables, dès 1940, Hodgkin identifia trois classes fondamentales d'axones excitables distinguées par leurs réponses à un courant injecté d'amplitude variable. A l'aide de la fonction de Lambert, nous étudions la transition entre les types I et II par des explosions de cycle incomplètes, initiées par une bifurcation de Hopf singulière et qui se terminent dans une bifurcation homocline dans des systèmes une variable rapide/une variable lente. Vient ensuite une étude poussée du système de Hindmarsh-Rose. Il s'agit d'un système deux variables rapides/une variable lente qui produit des oscillations en salves (ou bursting). Nous généralisons la notion d'ensembles candidats-limites-périodiques (clp) aux systèmes tridimensionnels, il s'agit des ensembles invariants du système à la limite singulière. A l'aide de ces derniers, nous obtenons une description très fine de la déformation du cycle limite jusqu'à l'addition d'un nouveau spike au burst. Nous finissons par une étude de la minimalité du modèle de F. Clément et J.-P. Françoise. Ce dernier est un système 4D qui modélise l¿activité des neurones à GnRH. Nous étudions un système une variable rapide/deux variables lentes qui reproduit certaines des caractéristiques du modèle 4D, notamment des Mixed-Modes oscillations.

  • Titre traduit

    Limits cycles explosions, qualitative analysis, numerical simulations and models


  • Résumé

    This thesis is focussed on the analysis of novel explosions of limit cycles (periodic orbits). We provide a study of their structure by qualitative analysis, exhibit evidences of their existence by numerical simulations (Auto, Xpp) and propose a discussion of their relevance in mathematical modeling for neurosciences. Such explosions occur in the slow-fast dynamical systems. Most of neurons are excitable, Hodgkin (1940) identified three fundamental classes of excitable axon distinguished by their responses to a current of variable amplitude injected. Using the Lambert function, we study the transition between types I and II by incomplete explosion of cycle. This explosion, produced by a planar vector field with one fast/one slow variable, is initiated by a singular Hopf bifurcation and ends via a homoclinic bifurcation. The next chapter proposed a study of the Hindmarsh-Rose system. This system, composed of one fast/ two slow variables, is well known to produce square wave bursting oscillation. We generalize the notion of candidate-limit-perodic sets (CLP-sets) to three-dimensional systems. A CLP-set is an invariant set of the system in the singular limit. Using these, we get a very acurate description of the limit cycle deformation under the variation of a parameter until the addition of a new spike to burst. Finally, we propose a study fot the minimality of the model introduced by F. Clement and J.-P. Françoise. The latter is a 4D system that models the activity of GnRH neurons. We study a system composed by one fast /two slow variables that reproduces some of the features of the 4D model, including Mixed-Modes oscillations.

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