Sinir Hücrelerine Özgü Hata Durumlarında Sinir Nanoağlar İçin haberleşme Protokolleri

Abstract

Bu tez çalışmasında, sinir sistemimizin bir alt ağı olan bedensel-duyusal ağ üzerinde detaylı araştırmalar yapılmış ve söz konusu vücut içi nanoağ ile geleneksel haberleşme ağları arasındaki benzerlikler belirlenmiştir. Bedensel-duyusal sistemde hissedilen uyarı, algılayıcı sinir hücreleri tarafından uyarı katarına dönüştürülür ve bu uyarı katarı ikinci ve daha büyük dereceli ara sinir hücrelerinin oluşturduğu yollar kullanılarak beyindeki bedensel-duyusal kabuğa iletilir. Birçok sinir hastalığı, uyarının iletildiği yolları oluşturan ara sinir hücrelerindeki fonksiyonel bozukluklardan dolayı uyarı iletiminin kesintiye uğramasından kaynaklanmaktadır. Algılayıcı sinir hücreleri düzgün çalışsa bile, uyarının taşındığı yol üzerinde bulunan hatalı bir ara sinir hücresi uyarının bedensel-duyusal kabuğa iletilmesine engel olmaktadır. Bu nedenle, uyarı yolu üzerindeki bir hata vücudun ilgili bölgesinde bir his kaybı olarak sonuçlanmaktadır. Uyarının taşındığı yol üzerindeki bozukluklar geleneksel haberleşme ağlarının iletim hatlarındaki benzer problemleri andırmaktadır. Haberleşme ağlarında, bu tip problemler birden çok sinyalin paylaşılan bir hat üzerinden taşınmasını sağlayan çoklama metotlarıyla çözülebilmektedir. Bu çalışmada, hatalı bir uyarı yoluna sahip bir algılayıcı sinir hücresi tarafından oluşturulan uyarı katarlarını, fonksiyonel komşu bir uyarı yolu kullanarak iletmek maksadıyla, yukarıda belirtilen benzerlik yaklaşımı kullanılarak sinir hücrelerine özgü Zaman Bölümlemeli Çoklu Erişim (TDMA) tabanlı, istatistiksel Çoklama tabanlı ve Anahtar Tabanlı Çoklama Protokolü tabanlı üç farklı teknik önerilmiştir. Önerilen tekniklerdeki amacımız iki yönlüdür. Birinci amacımız, hatalı bir uyarı yoluna sahip bir algılayıcı sinir hücresi tarafından oluşturulan uyarı katarlarını paylaşılan bir uyarı yolu kullanarak iletmektir. İkinci amacımız ise, algılanan gerçek duyunun hissedilebilmesi için çoklama aşamasındaki uyarı kaybını asgari seviyeye indirmektir. Önerilen tekniklerin başarımı benzetim metodu ile değişik senaryolar kullanılarak değerlendirilmiş, birbirleriyle karşılaştırılmış ve başarılı sonuçlar alındığı görülmüştür.

In this thesis, we study the somatosensory system that is a subnetwork of the nervous system in detail and explore the analogies between this intra-body nanonetwork and the conventional communication networks. For the somatosensory system, perceived stimulus converted into spike trains by the receptor neurons (RNs) and conveyed to the somatosensory cortex via second and higher order neurons. Many neurodegenerative diseases are caused by the interruption of spike propagation due to the malfunctioning neurons in the pathway where the signal is carried through. Even if the RNs function properly, a faulty relaying neuron in the signaling pathway hinders the spikes to be delivered to the somatosensory cortex. Thus, a fault in the pathway results in a loss of sense in the relevant part of the human body. These irreversible impairments remind the same problem in the transmission lines of the conventional communication networks. In communication networks, multiplexing methods that combine more than one signal over a shared medium are employed to solve this problem. In this study, we propose three neuron specific techniques (Time Division Multiple Access based, statistical multiplexing based and Switch Based Multiplexing Protocol) for conveying the spike trains of RNs that have faulty pathways over a functional neighboring pathway by using the above-mentioned analogy. For the techniques we propose, our aim is twofold. Firstly, conveying the spikes of an RN that has faulty pathway through a shared functional pathway. The latter is to minimize the number of spikes that can be lost while multiplexing the spikes of RNs in order to feel the correct sensation. The performance of the proposed techniques is evaluated by simulations under various scenarios, compared with each other and successful results are obtained.