<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2018.00154</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A Nonequilibrium-Potential Approach to Competition in Neural Populations</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Deza</surname> <given-names>Roberto R.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/343870/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Deza</surname> <given-names>Ignacio</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Mart&#x000ED;nez</surname> <given-names>Nataniel</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>Jorge F.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/98694/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Wio</surname> <given-names>Horacio S.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4"><sup>4</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/74298/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Faculty of Exact and Natural Science, Mar del Plata Institute for Physics Research, UNMdP, CONICET, National University of Mar del Plata</institution>, <addr-line>Mar del Plata</addr-line>, <country>Argentina</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Faculty of Engineering, Universidad Atl&#x000E1;ntida Argentina</institution>, <addr-line>Mar del Plata</addr-line>, <country>Argentina</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Center for Neuroscience, Swammerdam Institute for Life Sciences, University of Amsterdam</institution>, <addr-line>Amsterdam</addr-line>, <country>Netherlands</country></aff>
<aff id="aff4"><sup>4</sup><institution>Institute for Cross-Disciplinary Physics and Complex Systems, UIB, CSIC, University of the Balearic Islands</institution>, <addr-line>Palma de Mallorca</addr-line>, <country>Spain</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Manuel Asorey, Universidad de Zaragoza, Spain</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Fernando Montani, Consejo Nacional de Investigaciones Cient&#x000ED;ficas y T&#x000E9;cnicas (CONICET), Argentina; Yilun Shang, Northumbria University, United Kingdom</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Roberto R. Deza <email>deza&#x00040;mdp.edu.ar</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Mathematical Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>10</day>
<month>01</month>
<year>2019</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2018</year>
</pub-date>
<volume>6</volume>
<elocation-id>154</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>05</day>
<month>05</month>
<year>2018</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>17</day>
<month>12</month>
<year>2018</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2019 Deza, Deza, Mart&#x000ED;nez, Mej&#x000ED;as and Wio.</copyright-statement>
<copyright-year>2019</copyright-year>
<copyright-holder>Deza, Deza, Mart&#x000ED;nez, Mej&#x000ED;as and Wio</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract><p>Energy landscapes are a highly useful aid for the understanding of dynamical systems, and a particularly valuable tool for their analysis. For a broad class of rate neural-network models of relevance in neuroscience, we derive a global Lyapunov function which provides an energy landscape without any symmetry constraint. This newly obtained &#x0201C;nonequilibrium potential&#x0201D; (NEP)&#x02014;the first one obtained for a model of neural circuits&#x02014;predicts with high accuracy the outcomes of the dynamics in the globally stable cases studied here. Common features of the models in this class are bistability&#x02014;with implications for working memory and slow neural oscillations&#x02014;and population bursts, associated with signal detection in neuroscience. Instead, limit cycles are not found for the conditions in which the NEP is defined. Their nonexistence can be proven by resorting to the Bendixson&#x02013;Dulac theorem, at least when the NEP remains positive and in the (also generic) singular limit of these models. This NEP constitutes a powerful tool to understand average neural network dynamics from a more formal standpoint, and will also be of help in the description of large heterogeneous neural networks.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>nonequilibrium potential</kwd>
<kwd>energy landscape</kwd>
<kwd>neural networks</kwd>
<kwd>bistability</kwd>
<kwd>firing rate dynamics</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">15/E779 - EXA826/17</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Universidad Nacional de Mar del Plata<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100007070</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="3"/>
<table-count count="0"/>
<equation-count count="34"/>
<ref-count count="52"/>
<page-count count="9"/>
<word-count count="5888"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>The analysis of dissipative, autonomous<xref ref-type="fn" rid="fn0001"><sup>1</sup></xref> dynamic flows (especially high-dimensional ones) can be greatly simplified, if a function can be constructed to provide an &#x0201C;energy landscape&#x0201D; to the problem. Note that only in very few cases can a nonlinear dynamical system be analytically solved; for instance, if the system itself is a quadratic form, one can use the Wei&#x02013;Norman (Lie-algebraic) method to reduce it to a linear one (see e.g.,[<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]). Energy landscapes not only help visualize the systems&#x00027; phase space and its structural changes as parameters are varied, but allow predicting the rates of activated processes [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Some fields that benefit from the energy landscape approach are optimization problems [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>], neural networks [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], protein folding [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], cell nets [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], gene regulatory networks [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], ecology [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], and evolution [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].</p>
<p>For continuous-time flows, the possibility of this &#x0201C;Lyapunov function&#x0201D;&#x02014;with its distinctive property <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mtext>&#x003A6;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> outside the attractors&#x02014;was suggested in the context of the general stability problem of dynamical systems [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] and in a sense, it adds a quantitative dimension to the qualitative theory of differential equations. The linearization of the flow around its attractors always provides such a function, but its validity breaks down well inside their own basin. Instead, finding a <italic>global</italic> Lyapunov function is not an easy problem<xref ref-type="fn" rid="fn0002"><sup>2</sup></xref>. If only the information of the (deterministic) dynamical system is to be used, this function can be found for the so-called &#x0201C;gradient flows&#x0201D;&#x02014;purely irrotational flows in 3D, exact (longitudinal) forms in any dimensionality. But since for general relaxational flows (having nontrivial Helmholtz&#x02013;Hodge decomposition) the integrability conditions are not automatically met, some more information is needed.</p>
<p>A hint of what information is needed comes from recalling that dynamical systems are <italic>models</italic> and as such, they leave aside a multitude of degrees of freedom&#x02014;deemed irrelevant to the model, but nonetheless coupled to the &#x0201C;system.&#x0201D; A useful framework to deal with them is the one set forward by Langevin [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], which makes the dynamical flow into a stochastic process (thus nonautonomous, albeit driven by a stationary &#x0201C;white noise&#x0201D; process).</p>
<p>What Graham and his collaborators [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] realized more than 30 years ago is that <italic>even in the deterministic limit</italic>, this space enlargement can eventually help meet the integrability conditions. Given an initial state <italic>x</italic><sub><italic>i</italic></sub> of a (continuous-time, dissipative, autonomous) dynamic flow <italic>&#x01E8B;</italic> &#x0003D; <italic>f</italic> (<italic>x</italic>), its conditional probability density function (pdf) <italic>P</italic>(<italic>x, t</italic>|<italic>x</italic><sub><italic>i</italic></sub>, 0) when submitted to a (Gaussian, centered) white noise &#x003BE;(<italic>t</italic>) with variance &#x003B3;, namely<xref ref-type="fn" rid="fn0003"><sup>3</sup></xref></p>
<disp-formula id="E1"><mml:math id="M2"><mml:mover accent='true'><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>,&#x000A0;with&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>obeys the Fokker&#x02013;Planck equation (FPE)</p>
<disp-formula id="E2"><mml:math id="M3"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>,&#x000A0;with&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>in terms of the &#x0201C;drift&#x0201D; <italic>D</italic><sup>(1)</sup> &#x0003D; <italic>f</italic> (<italic>x</italic>) and &#x0201C;diffusion&#x0201D; <italic>D</italic><sup>(2)</sup> &#x0003D; &#x003B3; Kramers&#x02013;Moyal coefficients [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]. Being the flow nonautonomous but dissipative, one can expect generically situations of statistical energy balance in which the pdf becomes stationary, &#x02202;<sub><italic>t</italic></sub><italic>P</italic><sub>st</sub>(<italic>x</italic>) &#x0003D; 0, thus independent of the initial state. Then by defining <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is immediate to find <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>st</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>For an <italic>n</italic>&#x02013;component dynamic flow submitted to <italic>m</italic> &#x02264; <italic>n</italic> (Gaussian, uncorrelated, centered) white noises &#x003BE;<sub><italic>i</italic></sub>(<italic>t</italic>) with common variance &#x003B3;,</p>
<disp-formula id="E3"><mml:math id="M6"><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>f</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mi>&#x0039E;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>&#x0039E;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02329;</mml:mo><mml:mi>&#x0039E;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x0039E;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0232A;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>(&#x003C3; is an <italic>n</italic> &#x000D7; <italic>m</italic> constant matrix) the <italic>nonequilibrium potential</italic> (NEP) has been thus defined [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] as</p>
<disp-formula id="E4"><label>(1)</label><mml:math id="M7"><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>lim</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>ln</mml:mi><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>st</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>That implies <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>st</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0221D;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which replaced into the stationary <italic>n</italic>&#x02013;variable FPE &#x02207;&#x000B7;[<bold>f</bold>(<bold>x</bold>)<italic>P</italic><sub>st</sub>(<bold>x</bold>) &#x02212; &#x003B3;<italic>Q</italic>&#x02207;<italic>P</italic><sub>st</sub>(<bold>x</bold>)] &#x0003D; 0 (with <italic>Q</italic> : &#x0003D; &#x003C3;&#x003C3;<sup>T</sup> &#x0003D; <italic>Q</italic><sup>T</sup>) yields in the <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:math></inline-formula> the equation</p>
<disp-formula id="E5"><label>(2)</label><mml:math id="M10"><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>f</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>from which &#x003A6;(<bold>x</bold>) can in principle be found. In an attractor&#x00027;s basin, asymptotic stability imposes <italic>D</italic> : &#x0003D; det <italic>Q</italic> &#x0003E; 0. In fact, for <italic>m</italic> &#x0003D; <italic>n</italic> (restriction adopted hereafter) it is <italic>D</italic> &#x0003D; (det &#x003C3; )<sup>2</sup>, which in turn requires &#x003C3; to be nonsingular. Using Equation (2),</p>
<disp-formula id="E6"><mml:math id="M11"><mml:mover accent='true'><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mover><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:msup><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>f</mml:mi></mml:mstyle><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>
<p>for &#x003B3; &#x02192; 0. Hence, &#x003A6;(<bold>x</bold>) is a <italic>Lyapunov function</italic> for the <italic>deterministic</italic> dynamics.</p>
<p>Equation (2) has the structure of a Hamilton&#x02013;Jacobi equation. This trouble can be circumvented if we can decompose <bold>f</bold>(<bold>x</bold>) &#x0003D; <bold>d</bold>(<bold>x</bold>) &#x0002B; <bold>r</bold>(<bold>x</bold>), with <bold>d</bold>(<bold>x</bold>) : &#x0003D; &#x02212;<italic>Q</italic>&#x02207;&#x003A6; the <italic>dissipative</italic> part of <bold>f</bold>(<bold>x</bold>)<xref ref-type="fn" rid="fn0004"><sup>4</sup></xref>. Then Equation (2) reads <bold>r</bold><sup>T</sup>(<bold>x</bold>)&#x02207;&#x003A6; &#x0003D; 0, and <bold>r</bold>(<bold>x</bold>) is the <italic>conservative</italic> part of <bold>f</bold>(<bold>x</bold>). Note that <bold>d</bold>(<bold>x</bold>) is still irrotational (in the sense of the Helmholtz decomposition) but is <italic>not</italic> an exact form (the Hodge decomposition is made in the <italic>enlarged</italic> space).</p>
<p>For <italic>n</italic> &#x0003D; 2 we may write <bold>r</bold>(<bold>x</bold>) &#x0003D; &#x003BA; &#x003A9;&#x02207;&#x003A6;, with &#x003A9; the <italic>N</italic> &#x0003D; 1 symplectic matrix. Hence <bold>f</bold>(<bold>x</bold>) &#x0003D; &#x02212;(<italic>Q</italic> &#x02212; &#x003BA;&#x003A9;)&#x02207;&#x003A6;, with det(<italic>Q</italic> &#x02212; &#x003BA;&#x003A9;) &#x0003D; <italic>D</italic> &#x0002B; &#x003BA;<sup>2</sup> &#x0003E; 0, and thus</p>
<disp-formula id="E7"><label>(3)</label><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>f</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For arbitrary real &#x003C3;<sub><italic>ij</italic></sub> we can parameterize</p>
<disp-formula id="E8"><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>sin</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>cos</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mi>sin</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and define <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo class="qopname">cos</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (note that the condition <italic>D</italic> &#x0003E; 0 imposes &#x003B1;<sub>2</sub> &#x02260; &#x003B1;<sub>1</sub>). Then</p>
<disp-formula id="E9"><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and Equation (3) reads</p>
<disp-formula id="E10"><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi>det</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>(&#x02202;<sub><italic>k</italic></sub> is a shorthand for &#x02202;/&#x02202;<italic>x</italic><sub><italic>k</italic></sub>). If a set {&#x003BB;<sub>1</sub>, &#x003BB;<sub>2</sub>, &#x003BB;, &#x003BA;} can be found such that &#x003A6;(<bold>x</bold>) fulfills the <italic>integrability condition</italic> &#x02202;<sub>2</sub>&#x02202;<sub>1</sub>&#x003A6; &#x0003D; &#x02202;<sub>1</sub>&#x02202;<sub>2</sub>&#x003A6;, then a NEP exists. Early successful examples are the complex Ginzburg&#x02013;Landau equation (CGLE) [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] and the FitzHugh&#x02013;Nagumo (FHN) model [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]<xref ref-type="fn" rid="fn0005"><sup>5</sup></xref>. This scheme has been later reformulated [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], extended [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>], and exploited in many interesting cases [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>].</p>
<p>The goal of this work is to show that a NEP exists for a broad class of rate models of neural networks, of the type proposed by Wilson and Cowan [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]. The Wilson&#x02013;Cowan model has been used to model many different dynamics, brain areas, and neural-network structures in the brain. Therefore, the derivation of a NEP has potential implications for many problems in computational neuroscience. Section 2 is devoted to an analysis of the model and variations of section 3, to the derivation of the NEP in some of the cases studied in section 2, which are of high relevance in neuroscience. Section 4 undertakes a thorough discussion of our findings, and section 5 collects our conclusions.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2. The Wilson&#x02013;Cowan Model</title>
<p>Elucidating the architecture and dynamics of the neocortex is of utmost importance in neuroscience. But despite ongoing titanic efforts like the Human Brain Project or the BRAIN initiative, we are still very far from that goal. Given that the dynamics of single typical neurons has been relatively well described (in some cases even by analytical means), a fundamental approach can be practiced for small neural circuits. This means describing them as networks of excitable elements (neurons) connected by links (synapses), and solving the network dynamics by hybrid (analytical-numerical) techniques. However, the time employed in the analytical solution has poor scaling with size. Hence, this approach becomes unworkable for more than a few recurrently interconnected neurons, and one has to rely only on numerical simulations.</p>
<p>Fortunately&#x02014;as evidenced since long ago by the existence (as in a medium) of wavelike excitations&#x02014;the huge connectivity of the neocortex enables <italic>coarse-grained</italic> or mean-field descriptions, which provide more concise and relevant information to understand the mesoscopic dynamics of the system<xref ref-type="fn" rid="fn0006"><sup>6</sup></xref>. Frequently obtained via mean-field techniques and commonly referred to as <italic>rate models</italic> or <italic>neural mass models</italic>, coarse-grained reductions have been widely used in the theoretical study of neural systems [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>]. In particular, the one proposed by Wilson and Cowan [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] has proved to be very useful in describing the macroscopic dynamics of neural circuits. This level of description is able to capture many of the dynamical features associated with several cognitive and behavioral phenomena, such as working memory [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] or perceptual decision making [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>]. It is also possible to use a rate model approach to study the dynamics of networks constituted by heterogeneous neurons [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], thus recovering part of the complexity lost in the averaging. Disposing of an &#x0201C;energy function&#x0201D; (not restricted to symmetric couplings) for rate-level dynamics of neural networks would be a major added advantage.</p>
<p>The Wilson&#x02013;Cowan model describes the evolution of competing populations <italic>x</italic><sub>1</sub>, <italic>x</italic><sub>2</sub> of <italic>excitatory</italic> and <italic>inhibitory</italic> neurons, respectively. The model is defined by [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]</p>
<disp-formula id="E11"><label>(4)</label><mml:math id="M17"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>x</italic><sub>1</sub> and <italic>x</italic><sub>2</sub> represent the coarse-grained activity of an excitatory and an inhibitory neural population, respectively, and the monotonically increasing (sigmoidal) <italic>response functions</italic></p>
<disp-formula id="E12"><label>(5)</label><mml:math id="M18"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>are such that <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(0) &#x0003D; 0, and range from <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x02212;&#x0221E; to <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x0221E;. So the first crucial observation about the model is that it is <italic>asymptotically linear</italic>.</p>
<p>The currents <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub> are in turn linearly related to the <italic>x</italic><sub><italic>k</italic></sub>:</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext>M</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>All the parameters are real and moreover, the <italic>j</italic><sub><italic>kl</italic></sub> are positive (<italic>j</italic><sub>11</sub> and <italic>j</italic><sub>22</sub> are recurrent interactions, <italic>j</italic><sub>12</sub> and <italic>j</italic><sub>21</sub> are cross-population interactions). The above definitions are such that for M &#x0003D; 0, <bold>x</bold> &#x0003D; 0 is a stable fixed point. To avoid confusions in the following, note that det <italic>J</italic> &#x0003D; &#x02212;(<italic>j</italic><sub>11</sub><italic>j</italic><sub>22</sub> &#x02212; <italic>j</italic><sub>12</sub><italic>j</italic><sub>21</sub>).</p>
<p>Wilson and Cowan [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] found interesting features as e.g., staircases of bistable regimes and limit cycles. A thorough analysis of the model&#x00027;s bifurcation structure has been undertaken in Borisyuk and Kirillov [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]. The authors create a two-parameter structural portrait by fixing all the parameters but &#x003BC;<sub>1</sub> and <italic>j</italic><sub>21</sub> and find that the &#x003BC;<sub>1</sub>&#x02212;<italic>j</italic><sub>21</sub> plane turns out to be partitioned into several regions by:</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>a fold point bifurcation curve (the number of fixed points changes by two when crossed),</p></list-item>
<list-item><p>an Andronov&#x02013;Hopf bifurcation curve (separates regions with stable and unstable foci),</p></list-item>
<list-item><p>a saddle separatrix loop (a limit cycle on one side, none on the other), and</p></list-item>
<list-item><p>a double limit cycle curve (the number of limit cycles changes by two).</p></list-item>
</list>
<p>The <italic>uncoupled</italic> case (<italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 0) is clearly a gradient system, with potential</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M22"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>i</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>j</italic><sub>11</sub><italic>x</italic><sub>1</sub> &#x0002B; &#x003BC;<sub>1</sub> and <italic>i</italic><sub>2</sub> &#x0003D; &#x02212;<italic>j</italic><sub>22</sub><italic>x</italic><sub>2</sub> &#x0002B; &#x003BC;<sub>2</sub>. Functions <italic>F</italic><sub><italic>k</italic></sub> differ only in the values of their parameters. Their functional expression, involving polylogs, is uninteresting besides being complicated. Much more insight is obtained by observing the global features:</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>for <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x02212;&#x0221E;, Equation (4) become <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p></list-item>
<list-item><p>for <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x0221E;, <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
</list>
<p>So it seems interesting to look at them in the limit &#x003B2;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x0221E; (<italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2),</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M25"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>&#x003B8;</italic>(<italic>x</italic>) being Heaviside&#x00027;s unit step function. Unfortunately, neither Equation (4) nor their singular limit fulfill the above mentioned integrability condition.</p>
<p>In practice however, the names of Wilson and Cowan are associated to the broader class of rate models. In the following we shall show that the model defined by</p>
<disp-formula id="E16"><label>(6)</label><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>does admit a NEP&#x02014;for <italic>any</italic> functional forms of the nonlinear single-variable functions <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)<xref ref-type="fn" rid="fn0007"><sup>7</sup></xref>&#x02014;provided global stability is assured.</p>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3. Nonequilibrium Potential</title>
<p>For the model defined by Equation (6), it is <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The condition &#x02202;<sub>2</sub>&#x02202;<sub>1</sub>&#x003A6; &#x0003D; &#x02202;<sub>1</sub>&#x02202;<sub>2</sub>&#x003A6;, namely</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M28"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>boils down to</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>(and these in turn to <italic>j</italic><sub>21</sub><italic>j</italic><sub>11</sub>&#x003C4;<sub>1</sub>&#x003BB;<sub>1</sub> &#x0003D; <italic>j</italic><sub>12</sub><italic>j</italic><sub>22</sub>&#x003C4;<sub>2</sub>&#x003BB;<sub>2</sub>) so that &#x003BB;<sub>2</sub>, &#x003BB; and &#x003BA; can be expressed in terms of &#x003BB;<sub>1</sub>, which sets the global scale of &#x003A6;(<bold>x</bold>):</p>
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since <bold>r</bold>(<bold>x</bold>) &#x0003D; &#x003BA; &#x003A9;&#x02207;&#x003A6;, &#x003C4;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003C4;<sub>2</sub> suffices to render the flow <italic>purely dissipative</italic> (albeit not gradient). From this, a good choice is <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In summary,</p>
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mi>&#x003A9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and Equation (3) becomes</p>
<disp-formula id="E21"><label>(7)</label><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Integrating Equation (7) over any path from <bold>x</bold> &#x0003D; 0, yields</p>
<disp-formula id="E22"><label>(8)</label><mml:math id="M34"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4. Theoretical Analysis</title>
<p>The first&#x02014;crucial&#x02014;observation is that being <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) sigmoidal functions, Equation (8) is <italic>at most quadratic</italic>. Global stability thus imposes det<italic>J</italic> &#x0003C; 0, i.e., <italic>j</italic><sub>11</sub><italic>j</italic><sub>22</sub> &#x0003E; <italic>j</italic><sub>12</sub><italic>j</italic><sub>21</sub>. But note that matrix <italic>J</italic> also determines the paraboloid&#x00027;s cross section<xref ref-type="fn" rid="fn0008"><sup>8</sup></xref>.</p>
<p>If the form <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:msup><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the first term of Equation (8) could be straightforwardly factored out, then one could tell what its section is by watching whether the factors are real or complex. A more systematic approach is to reduce <bold>x</bold><sup><italic>T</italic></sup><italic>A</italic><bold>x</bold> to canonical form by a similarity transformation that involves the normalized eigenvectors of <italic>A</italic>. Then the inverse squared lengths of the principal axes are the eigenvalues <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B1;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <italic>A</italic>. Since the <italic>j</italic><sub><italic>kl</italic></sub> are positive and det<italic>J</italic> &#x0003C; 0, the second term is lesser than the first and the cross section is definitely <italic>elliptic</italic>. Although global stability rules out det<italic>J</italic> &#x0003E; 0, we can conclude that the instability proceeds through a pitchfork (codimension one) bifurcation along the <italic>minor</italic> principal axis (because of the double role of det<italic>J</italic>), not a Hopf (codimension two) one.</p>
<p>For the remaining terms, we note that Equation (7) can be written as <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>and recall that <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) have sigmoidal shape. So at large |<bold>x</bold>|, the component <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will tend to different constants&#x02014;according to the signs of <italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>&#x02014;so the asymptotic contribution of these terms will be piecewise linear, namely a collection of half planes.</p>
<p>The reduction to the uncoupled case can be safely done by writing <italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; &#x003F5; and <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; &#x003B1;&#x003F5;:</p>
<disp-formula id="E23"><mml:math id="M39"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>To first order as &#x003F5; &#x02192; 0, one retrieves</p>
<disp-formula id="E24"><mml:math id="M40"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>so by choosing <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003F5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M43"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold' mathsize='normal'><mml:mi>x</mml:mi></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>A popular choice&#x02014;that can be cast in the form of Equation (5)&#x02014;is <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">tanh</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003B2;<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003E; 0, for which<xref ref-type="fn" rid="fn009"><sup>9</sup></xref></p>
<disp-formula id="E26"><label>(9)</label><mml:math id="M45"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">ln</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo class="qopname">cosh</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">cosh</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Its &#x003B2;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x0221E; limit, &#x003BD;<sub><italic>k</italic></sub>&#x003B8;(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) with</p>
<disp-formula id="E27"><label>(10)</label><mml:math id="M46"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>highlights the cores of the response functions while keeping the global landscape<xref ref-type="fn" rid="fn0010"><sup>10</sup></xref>.</p>
<p>As a check of Equation (8), we show in the next subsections the mechanism whereby Equation (6) can sustain bistability.</p>
<sec>
<title>4.1. Analytically, for Steplike Response Function <italic>s<sub>k</sub></italic>(<italic>i<sub>k</sub></italic>): &#x0003D; &#x003BD;<sub><italic>k</italic></sub><italic>&#x003B8;</italic>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)</title>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>For &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003C; 0 (<italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2), there is no question that <bold>x</bold> &#x0003D; 0 is a fixed point (we may call it the &#x0201C;off&#x0201D; node); Equation (8) reduces to its first term and &#x003A6;(0) &#x0003D; 0.</p></list-item>
<list-item><p>By suitably choosing the half planes&#x02014;taking advantage of the relative sign in the numerator of the second term in Equation (8)&#x02014;another fixed point <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mtext>N</mml:mtext><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (the &#x0201C;on&#x0201D; node) can be induced<xref ref-type="fn" rid="fn0011"><sup>11</sup></xref> if (<italic>J</italic>N)<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003E; &#x02212;&#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2 (namely <italic>j</italic><sub>11</sub>&#x003BD;<sub>1</sub> &#x02212; <italic>j</italic><sub>12</sub>&#x003BD;<sub>2</sub>&#x0003E;&#x02212;&#x003BC;<sub>1</sub>, <italic>j</italic><sub>21</sub>&#x003BD;<sub>1</sub>&#x02212;<italic>j</italic><sub>22</sub>&#x003BD;<sub>2</sub> &#x0003E; &#x02212; &#x003BC;<sub>2</sub>) with
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M48"><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mtext>N</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>det</mml:mi><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>If &#x003BC;<sub>1</sub> is varied (as in [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]), equistability is achieved for</p>
<p><disp-formula id="E29"><label>(11)</label><mml:math id="M49"><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>The intersection of the cores of the <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)<xref ref-type="fn" rid="fn0012"><sup>12</sup></xref> is a (singular in this limit) saddle point. Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1B</xref> illustrates this situation for the parameters quoted in the caption (the choice obeys to the fact that global stability makes condition <italic>j</italic><sub>21</sub>&#x003BD;<sub>1</sub> &#x02212;<italic>j</italic><sub>22</sub>&#x003BD;<sub>2</sub> &#x0003E; &#x02212;&#x003BC;<sub>2</sub> rather stringent).</p>
</list-item>
<list-item><p>As &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; 0, <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2, this saddle point moves toward the &#x0201C;off&#x0201D; node. After a (direct) saddle-node bifurcation, only the &#x0201C;on&#x0201D; node at <italic>x</italic><sub><italic>k</italic></sub> &#x0003D; &#x003BD;<sub><italic>k</italic></sub> remains, since conditions (<italic>J</italic>N)<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003E; &#x02212;&#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub>, <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2 are better satisfied, see Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1A</xref>.</p></list-item>
</list>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Illustration of the analytical results in section 4.1, for &#x003C1; &#x0003D; 1, &#x003C4;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003C4;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, &#x003BC;<sub>2</sub> &#x0003D; &#x02212;0.01, &#x003BD;<sub>1</sub> &#x0003D; 1, &#x003BD;<sub>2</sub> &#x0003D; 0.1, <italic>j</italic><sub>11</sub> &#x0003D; 1, <italic>j</italic><sub>22</sub> &#x0003D; 0.5, <italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; 0.5, <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 0.1. <bold>(A)</bold> Abscissas (solid line) and ordinates (dashed line) of the &#x0201C;off&#x0201D; (circle) and &#x0201C;on&#x0201D; (cross) nodes of Equation (6) with <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>): &#x0003D; &#x003BD;<sub><italic>k</italic></sub>&#x003B8;(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>), as functions of &#x003BC;<sub>1</sub>. Trajectories from random initial conditions and contour plot of the NEP&#x02014;Equation (8), with <italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)&#x02212;<italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(&#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub>) given by Equation (10)&#x02014;in the equistable case given by Equation (11) <bold>(B)</bold>, and near the &#x0201C;off&#x0201D; <bold>(C)</bold> and &#x0201C;on&#x0201D; <bold>(D)</bold> saddle-node bifurcations.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-06-00154-g0001.tif"/>
</fig>
<p>If there is room for some spreading of the core, as seen in Figures <xref ref-type="fig" rid="F1">1B&#x02013;D</xref>, the former result remains valid for whatever analytical form of the response functions. In such a case, the saddle point will be analytical.</p>
<p>In the singular limit <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) : &#x0003D; &#x003BD;<sub><italic>k</italic></sub>&#x003B8;(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) we deal with in this subsection, we can prove rigorously the nonexistence of limit cycles (at least for large &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003C; 0, <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2). The Bendixson&#x02013;Dulac theorem states that if there exists a <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">C</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> function &#x003A6;(<bold>x</bold>) (called the Dulac function) such that div(&#x003A6;<bold>f</bold>) has the same sign <italic>almost everywhere</italic><xref ref-type="fn" rid="fn0013"><sup>13</sup></xref> in a simply connected region of the plane, then the plane autonomous system <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has no nonconstant periodic solutions lying entirely within the region. Because of Equation (2),</p>
<disp-formula id="E30"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mtext>div</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mtext>div</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>T</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003A6;</mml:mo><mml:mtext>div</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>f</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Clearly, div <bold>f</bold> &#x0003C; 0 almost everywhere [i.e., except at the cores of the <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)]. For &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x0003C; 0 (<italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2) and large, &#x003A6;(<bold>x</bold>) will be essentially the quadratic form in the first term of Equation (8), so it meets the conditions to be a Dulac function in a simply connected region of the plane.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2. Numerically, For a (More) Realistic Example</title>
<p>For the integrable version (<italic>r</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>r</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 0) of Equations (4)&#x02013;(5), it is</p>
<disp-formula id="E31"><label>(12)</label><mml:math id="M53"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>(recall that <italic>&#x003BC;</italic> &#x0003D; <bold>i</bold>(<bold>x</bold> &#x0003D; 0)). Here, because of the condition <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(0) &#x0003D; 0, the &#x0201C;off&#x0201D; node will move as &#x003BC;<sub>1</sub> is varied. Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref> considers the integrable version of Figures 4 and 5 in [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] (the only ones for which det <italic>J</italic> &#x0003C; 0). The parameters specified by the authors are <italic>j</italic><sub>11</sub> &#x0003D; 12, <italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; 4, <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 13, <italic>j</italic><sub>22</sub> &#x0003D; 11, &#x003B2;<sub>1</sub> &#x0003D; 1.2, <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003B2;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003BC;<sub>2</sub> &#x0003D; 0. The values of &#x003C4;<sub>1</sub> and &#x003C4;<sub>2</sub> (as well as &#x003BD;<sub>1</sub> and &#x003BD;<sub>2</sub>, not specified by the authors) have been chosen as 1 throughout<xref ref-type="fn" rid="fn0014"><sup>14</sup></xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>(A)</bold> Abscissas (solid line) and ordinates (dashed line) of the &#x0201C;off&#x0201D; (circle) and &#x0201C;on&#x0201D; (cross) nodes of Equations (4)&#x02013;(5) (with <italic>r</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>r</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 0) as functions of &#x003BC;<sub>1</sub>. <bold>(B)</bold> Trajectories from random initial conditions and contour plot of the NEP&#x02014;Equation (8), with <italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)&#x02212;<italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(&#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub>) given by Equation (12)&#x02014;near the equistable case &#x003BC;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x02212;1.7 <bold>(B)</bold>, and near the &#x0201C;off&#x0201D; <bold>(C)</bold>, and &#x0201C;on&#x0201D; <bold>(D)</bold> saddle-node bifurcations. Remaining parameters: &#x003C1; &#x0003D; 1, &#x003C4;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003C4;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, &#x003BD;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003BD;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, &#x003BC;<sub>2</sub> &#x0003D; 0, <italic>j</italic><sub>11</sub> &#x0003D; 12, <italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; 4, <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 13, <italic>j</italic><sub>22</sub> &#x0003D; 11, &#x003B2;<sub>1</sub> &#x0003D; 1.2, <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003B2;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, and <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-06-00154-g0002.tif"/>
</fig>
<p>Frame (a), as well as the trajectories from random initial conditions (uniform distribution) in frames (b)&#x02013;(d), of Figures <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref> are the result of a 4th order Runge&#x02013;Kutta integration of Equation (6), after 100,000,000 iterations with &#x00394;<italic>t</italic> &#x0003D; 10<sup>&#x02212;4</sup>. In the contour plots of &#x003A6;(<bold>x</bold>) of frames (b)&#x02013;(d) of Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>, <italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) &#x02212; <italic>S</italic><sub><italic>k</italic></sub>(&#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub>) is given by Equation (12). Even though the details differ between Figures <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>, the structural picture (in particular, the inverse-direct saddle-node mechanism) remains the same.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5. Different Relaxation Times</title>
<p>When &#x003C4;<sub>1</sub> &#x02260; &#x003C4;<sub>2</sub>, then</p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M58"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and <bold>d</bold>(<bold>x</bold>) &#x0003D; <bold>f</bold>(<bold>x</bold>)&#x02212;<bold>r</bold>(<bold>x</bold>). However &#x003A6;(<bold>x</bold>) can remain the same, as far as &#x003C4;<sub>1</sub> &#x003C4; <sub>2</sub> does not change. So whereas the contour plots of the NEP in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> reproduce those of Figures <xref ref-type="fig" rid="F2">2C,D</xref>, the displayed set of trajectories (from random initial conditions within suitably selected tiny patches) have <bold>r</bold>(<bold>x</bold>)&#x02260;0 and consequently, many of them perform a large excursion toward the attractor.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>(A,B) Contour plot of the NEP in Figures <xref ref-type="fig" rid="F2">2C,D</xref>, together with trajectories (in red) from random initial conditions within suitably selected tiny patches. Parameters: &#x003C1; &#x0003D; 1, &#x003C4;<sub>1</sub> &#x0003D; 0.5, &#x003C4;<sub>2</sub> &#x0003D; 2, &#x003BD;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003BD;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, &#x003BC;<sub>2</sub> &#x0003D; 0, <italic>j</italic><sub>11</sub> &#x0003D; 12, <italic>j</italic><sub>12</sub> &#x0003D; 4, <italic>j</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 13, <italic>j</italic><sub>22</sub> &#x0003D; 11, &#x003B2;<sub>1</sub> &#x0003D; 1.2, <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003B2;<sub>2</sub> &#x0003D; 1, and <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fphy-06-00154-g0003.tif"/>
</fig>
<p>Excitable events such as those described here by the NEP, in which the activity of excitatory neurons in the population shows a sharp peak, are known in the computational neuroscience literature as &#x0201C;population bursts.&#x0201D; These are brief events of high excitatory activity in the neural system being modeled. In neural network models composed of interconnected spiking neurons, they reflect a sudden rise in spiking activity at the level of the whole population (or a significant part of it), in such a way that a high proportion of neurons in the network fire at least one action potential during a short time window. Spiking neurons participating in the population burst are therefore transiently synchronized. In spite of not being able to properly capture synchronous phenomena, the Wilson&#x02013;Cowan model may capture this phenomenon as a transient peak of activity that is later shut down by inhibition. But for more realistic models, additional biophysical mechanisms (such as actual spiking dynamics, refractory period of neurons or short-term adaptation) have to be considered since they are likely involved in population bursts on real neural systems [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>]. Population bursts have several computational uses; for example, they can be used to transmit temporally precise information to other brain areas, even in the presence of noise or heterogeneity [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>].</p>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s6">
<title>6. Conclusions</title>
<p><italic>Rate</italic>- (also called <italic>neural mass</italic>-) models have been a useful approach to neural networks for half a century. Today, their simplicity (not short of comprehensivity) makes them ideal to fulfill the node dynamics in, for instance, connectome-based brain networks. So the availability of an &#x0201C;energy function&#x0201D; for rate models is expected to be welcome news.</p>
<p>Dynamical systems of the form given by Equation (6) admit a NEP <italic>regardless</italic> of the functional forms of the nonlinear single-variable functions <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>). Throughout this work, the latter are assumed to have the same functional form, of sigmoidal shape. But neither condition is necessary to satisfy the integrability condition.</p>
<p>A crucial observation about rate models&#x02014;even the one put forward by Wilson and Cowan [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>], and given by Equations (4)&#x02013;(5)&#x02014;is that they are <italic>asymptotically linear</italic>, so their eventual NEP can be <italic>at most quadratic</italic>. Then in principle, <italic>global stability</italic> rules out some coupling configurations. Obviously, this requirement can be relaxed if the rate model fulfills the node dynamics of a neural network, for what matters in that case is the network&#x00027;s global stability.</p>
<p>The here obtained NEP provides a more quantitative intuition on the phenomenon of bistability, that has been naturally found in real neural systems. Neural bistability underlies e.g., the persistent activity which is commonly found in neurons of the prefrontal cortex, a mechanism that is thought to maintain information during working memory tasks [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>]. In the presence of neural noise and other adaptation mechanisms, bistability is also a useful hypothesis to explain slow irregular dynamics or &#x0201C;up&#x0201D; and &#x0201C;down&#x0201D; dynamics, also observed across cortex and modeled using bistable dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>].</p>
<p>Our results open the door to considering the calculation of nonequilibrium potentials of rate-based neural network models, and in particular considering the implications of different biologically realistic dynamics in such potentials. One interesting possibility is to consider in our model the effect of short-term synaptic plasticity effects. Short-term plasticity has been shown to impact computational properties of neural systems, such as their signal detection abilities [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>], their pattern storage capacity [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>], or the statistics of neural bistable dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>]. We would expect, for example, that changes in the ability of neural systems to detect weak signals due to short-term plasticity could be reflected in changes in the nonequilibrium potential landscape, making population bursts easier to be triggered by weak stimuli. Changes in the statistics of neural bistable dynamics, or &#x02018;up-down&#x00027; transitions, could be reflected in swifts of the dwells in the landscape, and also on the statistics of real experimental data.</p>
<p>Finally, it is worth mentioning that the here obtained NEP&#x02014;valid as argued for generic transfer functions <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>)&#x02014;opens the door to the potential use of more generic rate models in the field of <italic>artificial</italic> neural networks and <italic>deep learning</italic>. By identifying the NEP with the cost function to be minimized, gradient descent algorithms can be used to train networks of generic Wilson&#x02013;Cowan units for different tasks. This implies that more realistic and less computationally expensive neural population models can be trained and used for behavioral tasks, a topic that has gathered attention recently [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>All the listed authors have made substantial and direct intellectual contribution to this work, and approve its publication. In particular, JM proposed the idea, contributed preliminary analytical calculations, and provided key information from the field of neuroscience.</p>
<sec>
<title>Conflict of Interest Statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<ack><p>JM thanks warmly A. Longtin for his support during the early stages of this work. ID and HW thank, respectively, IFIMAR and IFISC for their hospitality. NM thanks HW and IFISC for their hospitality during his research visit.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shang</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Analytical solution for an in-host viral infection model with time-inhomogeneous rates</article-title>. <source>Acta Phys Pol B</source> (<year>2015</year>) <volume>46</volume>:<fpage>1567</fpage>&#x02013;<lpage>77</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5506/APhysPolB.46.1567</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name></person-group>. <article-title>Nonequilibrium potential in reaction&#x02013;diffusion systems</article-title>. in: <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Garrido</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Marro</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group> editors. <source>4th Granada Seminar in Computational Physics</source>. <publisher-loc>Dordrecht</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1997</year>). p. <fpage>135</fpage>&#x02013;<lpage>93</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name></person-group>. <article-title>Aspects of stochastic resonance in reaction&#x02013;diffusion systems: the nonequilibrium-potential approach</article-title>. <source>Eur Phys J Special Topics</source> (<year>2007</year>) <volume>146</volume>:<fpage>111</fpage>&#x02013;<lpage>26</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjst/e2007-00173-0</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name> <name><surname>L&#x000F3;pez</surname> <given-names>JM</given-names></name></person-group>. <source>An Introduction to Stochastic Processes and Nonequilibrium Statistical Physics, revised edition</source>. <publisher-loc>Singapore</publisher-loc>: <publisher-name>World Scientific</publisher-name> (<year>2012</year>).</citation></ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kirkpatrick</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Gelatt</surname> <given-names>CD</given-names></name> <name><surname>Vecchi</surname> <given-names>MP</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimization by simulated annealing</article-title>. <source>Science</source> (<year>1983</year>) <volume>220</volume>:<fpage>671</fpage>&#x02013;<lpage>80</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.220.4598.671</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17813860</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yan</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Zhao</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Hu</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Nonequilibrium landscape theory of neural networks</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2013</year>) <volume>110</volume>:<fpage>E4185</fpage>&#x02013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1310692110</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24145451</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Oliveira</surname> <given-names>RJ</given-names></name> <name><surname>Chu</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Whitford</surname> <given-names>PC</given-names></name> <name><surname>Chahine</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Han</surname> <given-names>W</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Topography of funneled landscapes determines the thermodynamics and kinetics of protein folding</article-title>. <source>Proc Natl Acad Sci USA</source> (<year>2012</year>) <volume>109</volume>:<fpage>15763</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1212842109</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23019359</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Xia</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Sun</surname> <given-names>Z</given-names></name></person-group>. <article-title>Funneled landscape leads to robustness of cell networks: yeast cell cycle</article-title>. <source>PLoS Comput Biol.</source> (<year>2006</year>) <volume>2</volume>:<fpage>e147</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.0020147</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17112311</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kim</surname> <given-names>KY</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Potential energy landscape and robustness of a gene regulatory network: toggle switch</article-title>. <source>PLoS Comput Biol.</source> (<year>2007</year>) <volume>3</volume>:<fpage>e60</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.0030060</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17397255</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>The potential landscape of genetic circuits imposes the arrow of time in stem cell differentiation</article-title>. <source>Biophys J.</source> (<year>2010</year>) <volume>99</volume>:<fpage>29</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2010.03.058</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20655830</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Li</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Potential landscape and probabilistic flux of a predator prey network</article-title>. <source>PLoS Comput Biol.</source> (<year>2011</year>) <volume>6</volume>:<fpage>e17888</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0017888</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21423576</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Zhang</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>The potential and flux landscape theory of evolution</article-title>. <source>J Chem Phys.</source> (<year>2012</year>) <volume>137</volume>:<fpage>065102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.4734305</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22897313</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lyapunov</surname> <given-names>AM</given-names></name></person-group>. <source>The General Problem of the Stability of Motion (in russian)</source>. <publisher-loc>Kharkiv</publisher-loc>: <publisher-name>Mathematical Society of Kharkov</publisher-name> (<year>1892</year>). English transl.: <source>Int. J. Control</source> (<year>1992</year>) <volume>55</volume>:<fpage>531</fpage>&#x02013;<lpage>772</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shang</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Global stability of disease-free equilibria in a two-group SI model with feedback control</article-title>. <source>Nonlin Anal.</source> (<year>2015</year>) <volume>20</volume>:<fpage>501</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.15388/NA.2015.4.3</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Langevin</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Sur la th&#x000E9;orie du mouvement Brownien</article-title>. <source>C R Acad Sci.</source> (<year>1908</year>) <volume>146</volume>:<fpage>530</fpage>.</citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Graham</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Weak noise limit and nonequilibrium potentials of dissipative dynamical systems</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Tirapegui</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Villarroel</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group> editors. <source>Instabilities and Nonequilibrium Structures</source>. <publisher-loc>Dordrecht</publisher-loc>: <publisher-name>Reidel</publisher-name> (<year>1987</year>). p. <fpage>271</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Graham</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>T&#x000E9;l</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Steady-state ensemble for the complex Ginzburg&#x02013;Landau equation with weak noise</article-title>. <source>Phys Rev A</source> (<year>1990</year>) <volume>42</volume>:<fpage>4661</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.42.4661</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9904574</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Risken</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <source>The Fokker-Planck Equation: Methods of solution and applications</source>. <edition>2nd ed.</edition> <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1996</year>).</citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gardiner</surname> <given-names>CW</given-names></name></person-group>. <source>Handbook of Stochastic Methods for Physics, Chemistry and the Natural Sciences</source>. <publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2004</year>).</citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>van Kampen</surname> <given-names>NG</given-names></name></person-group>. <source>Stochastic Processes in Physics and Chemistry</source>. <publisher-loc>Amsterdam</publisher-loc>: <publisher-name>North-Holland</publisher-name> (<year>1990</year>).</citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Descalzi</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Graham</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Gradient expansion of the nonequilibrium potential for the supercritical Ginzburg&#x02013;Landau equation</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>1992</year>) <volume>170</volume>:<fpage>84</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0375-9601(92)90777-J</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Montagne</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Hern&#x000E1;ndez-Garc&#x000ED;a</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>San Miguel</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Numerical study of a Lyapunov functional for the complex Ginzburg&#x02013;Landau equation</article-title>. <source>Physica D</source> (<year>1996</year>) <volume>96</volume>:<fpage>47</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0167-2789(96)00013-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iz&#x000FA;s</surname> <given-names>GG</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name> <name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name></person-group>. <article-title>Exact nonequilibrium potential for the FitzHugh&#x02013;Nagumo model in the excitable and bistable regimes</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>1998</year>) <volume>58</volume>:<fpage>93</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.58.93</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iz&#x000FA;s</surname> <given-names>GG</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name> <name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name></person-group>. <article-title>Critical slowing-down in the FitzHugh&#x02013;Nagumo model: a non-equilibrium potential approach</article-title>. <source>Comp Phys Comm.</source> (<year>1999</year>) <volume>121&#x02013;122</volume>:<fpage>406</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0010-4655(99)00368-9</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iz&#x000FA;s</surname> <given-names>GG</given-names></name> <name><surname>S&#x000E1;nchez</surname> <given-names>AD</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name></person-group>. <article-title>Noise-driven synchronization of a FitzHugh&#x02013;Nagumo ring with phase-repulsive coupling: a perspective from the system&#x00027;s nonequilibrium potential</article-title>. <source>Physica A</source> (<year>2009</year>) <volume>388</volume>:<fpage>967</fpage>&#x02013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2008.11.031</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>S&#x000E1;nchez</surname> <given-names>AD</given-names></name> <name><surname>Iz&#x000FA;s</surname> <given-names>GG</given-names></name></person-group>. <article-title>Nonequilibrium potential for arbitrary-connected networks of FitzHugh&#x02013;Nagumo elements</article-title>. <source>Physica A</source> (<year>2010</year>) <volume>389</volume>:<fpage>1931</fpage>&#x02013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physa.2010.01.013</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>S&#x000E1;nchez</surname> <given-names>AD</given-names></name> <name><surname>Iz&#x000FA;s</surname> <given-names>GG</given-names></name> <name><surname>dell&#x00027;Erba</surname> <given-names>MG</given-names></name> <name><surname>Deza</surname> <given-names>RR</given-names></name></person-group>. <article-title>A reduced gradient description of stochastic-resonant spatiotemporal patterns in a FitzHugh&#x02013;Nagumo ring with electric inhibitory coupling</article-title>. <source>Phys Lett A</source> (<year>2014</year>) <volume>378</volume>:<fpage>1579</fpage>&#x02013;<lpage>83</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physleta.2014.03.048</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wio</surname> <given-names>HS</given-names></name> <name><surname>Von Haeften</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Bouzat</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Stochastic resonance in spatially extended systems: the role of far from equilibrium potentials</article-title>. <source>Physica A</source> (<year>2002</year>) <volume>306</volume>:<fpage>140</fpage>&#x02013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0378-4371(02)00493-4</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ao</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Potential in stochastic differential equations: novel construction</article-title>. <source>J Phys A</source> (<year>2004</year>) <volume>37</volume>:<fpage>L25</fpage>&#x02013;<lpage>30</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/37/3/L01</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wu</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Landscape framework and global stability for stochastic reaction diffusion and general spatially extended systems with intrinsic fluctuations</article-title>. <source>J Phys Chem B</source> (<year>2013</year>) <volume>117</volume>:<fpage>12908</fpage>&#x02013;<lpage>34</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jp402064y</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23865936</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wilson</surname> <given-names>HR</given-names></name> <name><surname>Cowan</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <article-title>Excitatory and inhibitory interactions in localized populations of model neurons</article-title>. <source>Biophys J.</source> (<year>1972</year>) <volume>12</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>24</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(72)86068-5</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">4332108</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Shang</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <article-title>Impact of self-healing capability on network robustness</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2015</year>) <volume>91</volume>:<fpage>042804</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.91.042804</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25974544</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Amit</surname> <given-names>DJ</given-names></name> <name><surname>Brunel</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group>. <article-title>Model of global spontaneous activity and local structured activity during delay periods in the cerebral cortex</article-title>. <source>Cereb Cortex</source> (<year>1997</year>) <volume>7</volume>:<fpage>237</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1093/cercor/7.3.237</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9143444</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Brunel</surname> <given-names>N</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamics of sparsely connected networks of excitatory and inhibitory spiking neurons</article-title>. <source>J Comp Neurosci.</source> (<year>2000</year>) <volume>8</volume>:<fpage>183</fpage>&#x02013;<lpage>208</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1023/A:1008925309027</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10809012</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wong</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>XJ</given-names></name></person-group>. <article-title>A recurrent network mechanism of time integration in perceptual decisions</article-title>. <source>J Neurosci.</source> (<year>2006</year>) <volume>26</volume>:<fpage>1314</fpage>&#x02013;<lpage>28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.3733-05.2006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16436619</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>XJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Synaptic reverberation underlying mnemonic persistent activity</article-title>. <source>Trends Neurosci.</source> (<year>2001</year>) <volume>24</volume>:<fpage>455</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0166-2236(00)01868-3</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11476885</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>XJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Probabilistic decision making by slow reverberation in cortical circuits</article-title>. <source>Neuron</source> (<year>2002</year>) <volume>36</volume>:<fpage>955</fpage>&#x02013;<lpage>68</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0896-6273(02)01092-9</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12467598</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Longtin</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal heterogeneity for coding in spiking neural networks</article-title>. <source>Phys Rev Lett.</source> (<year>2012</year>) <volume>108</volume>:<fpage>228102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.108.228102</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23003656</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Longtin</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Differential effects of excitatory and inhibitory heterogeneity on the gain and asynchronous state of sparse cortical networks</article-title>. <source>Front Comput Neurosci.</source> (<year>2014</year>) <volume>8</volume>:<fpage>107</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fncom.2014.00107</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25309409</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Borisyuk</surname> <given-names>RM</given-names></name> <name><surname>Kirillov</surname> <given-names>AB</given-names></name></person-group>. <article-title>Bifurcation analysis of a neural network model</article-title>. <source>Biol Cybern.</source> (<year>1992</year>) <volume>66</volume>:<fpage>319</fpage>&#x02013;<lpage>25</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00203668</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">1550881</pub-id></citation></ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tsodyks</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Uziel</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Markram</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Synchrony generation in recurrent networks with frequency-dependent synapses</article-title>. <source>J Neurosci.</source> (<year>2000</year>) <volume>20</volume>:<fpage>RC50</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.20-01-j0003.2000</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10627627</pub-id></citation></ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Funahashi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Bruce</surname> <given-names>CJ</given-names></name> <name><surname>Goldman-Rakic</surname> <given-names>PS</given-names></name></person-group>. <article-title>Mnemonic coding of visual space in the monkey&#x00027;s dorsolateral prefrontal cortex</article-title>. <source>J Neurophysiol.</source> (<year>1989</year>) <volume>61</volume>:<fpage>331</fpage>&#x02013;<lpage>49</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.1989.61.2.331</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2918358</pub-id></citation></ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>McCormick</surname> <given-names>DA</given-names></name></person-group>. <article-title>Neuronal networks: flip-flops in the brain</article-title>. <source>Curr Biol.</source> (<year>2005</year>) <volume>15</volume>:<fpage>R294</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cub.2005.04.009</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15854894</pub-id></citation></ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Holcman</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Tsodyks</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>The emergence of up and down states in cortical networks</article-title>. <source>PLoS Comput Biol.</source> (<year>2006</year>) <volume>2</volume>:<fpage>174</fpage>&#x02013;<lpage>81</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.0020023</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16557293</pub-id></citation></ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Kappen</surname> <given-names>HJ</given-names></name> <name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Irregular dynamics in up and down cortical states</article-title>. <source>PLoS ONE</source> (<year>2010</year>) <volume>5</volume>:<fpage>e13651</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0013651</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21079740</pub-id></citation></ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group>. <article-title>The role of synaptic facilitation in spike coincidence detection</article-title>. <source>J Comput Neurosci.</source> (<year>2008</year>) <volume>24</volume>:<fpage>222</fpage>&#x02013;<lpage>34</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10827-007-0052-8</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17674172</pub-id></citation></ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Emergence of resonances in neural systems: the interplay between adaptive threshold and short-term synaptic plasticity</article-title>. <source>PLoS ONE</source> (<year>2011</year>) <volume>6</volume>:<fpage>e17255</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0017255</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21408148</pub-id></citation></ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name> <name><surname>Marro</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name></person-group>. <article-title>Can intrinsic noise induce various resonant peaks?</article-title> <source>New J Phys.</source> (<year>2011</year>) <volume>13</volume>:<fpage>053014</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1367-2630/13/5/053014</pub-id></citation></ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Maximum memory capacity on neural networks with short-term synaptic depression and facilitation</article-title>. <source>Neural Comput.</source> (<year>2009</year>) <volume>21</volume>:<fpage>851</fpage>&#x02013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1162/neco.2008.02-08-719</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18928372</pub-id></citation></ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mej&#x000ED;as</surname> <given-names>JF</given-names></name> <name><surname>Hern&#x000E1;ndez-G&#x000F3;mez</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Torres</surname> <given-names>JJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Short-term synaptic facilitation improves information retrieval in noisy neural networks</article-title>. <source>Europhys Lett.</source> (<year>2012</year>) <volume>97</volume>:<fpage>48008</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1209/0295-5075/97/48008</pub-id></citation></ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mante</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Sussillo</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Shenoy</surname> <given-names>KV</given-names></name> <name><surname>Newsome</surname> <given-names>WT</given-names></name></person-group>. <article-title>Context-dependent computation by recurrent dynamics in prefrontal cortex</article-title>. <source>Nature (London).</source> (<year>2013</year>) <volume>503</volume>:<fpage>78</fpage>&#x02013;<lpage>84</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature12742</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24201281</pub-id></citation></ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Song</surname> <given-names>HF</given-names></name> <name><surname>Yang</surname> <given-names>GR</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>XJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Training excitatory-inhibitory recurrent neural networks for cognitive tasks: a simple and flexible framework</article-title>. <source>PLoS Comput Biol.</source> (<year>2016</year>) <volume>12</volume>:<fpage>e1004792</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1004792</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26928718</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn0001"><p><sup>1</sup>The framework can also be applied to nonautonomous flows, as far as their explicit time-dependence can be regarded as slow in comparison with the relaxation times toward the system&#x00027;s attractors (adiabatic approximation).</p></fn>
<fn id="fn0002"><p><sup>2</sup>By this we mean that we know no <italic>systematic</italic> methods other than the one we describe here. Of course, there is always room for heuristically finding a global Lyapunov function for some systems, even those containing dynamical variables that exert feedback control (see e.g.,[<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]).</p></fn>
<fn id="fn0003"><p><sup>3</sup>We follow the usual notation in physics, which strictly means <italic>dx</italic> &#x0003D; <italic>f</italic>(<italic>x</italic>)<italic>dt</italic> &#x0002B; <italic>dW</italic>(<italic>t</italic>) in terms of the Wiener process <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>. Note that <italic>dx</italic>&#x02212;<italic>dW</italic>(<italic>t</italic>) is still a (deterministic) dynamic flow, which implies some kind of connection in the <italic>x</italic>&#x02212;<italic>W</italic> bundle (but not the one of gauge theory).</p></fn>
<fn id="fn0004"><p><sup>4</sup>Had we written &#x01E8B; &#x0003D; <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) &#x0002B; &#x003C3;&#x003BE;(<italic>t</italic>) for <italic>n</italic> &#x0003D; 1, then <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mi>&#x003A6;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:math></inline-formula></p></fn>
<fn id="fn0005"><p><sup>5</sup>The knowledge of a NEP for FHN units has greatly simplified the dynamical analysis of reaction&#x02013;diffusion [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] and network [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] FHN models, as well as the study of stochastic resonance in some extended systems [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>].</p></fn>
<fn id="fn0006"><p><sup>6</sup>Note that the usually large connectivity of general networks already enables mean-field descriptions (see e.g.,[<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>]). But the connectivity of the neocortex is <italic>overwhelmingly</italic> larger than that.</p></fn>
<fn id="fn0007"><p><sup>7</sup>With our mind in neurophysiology applications, we shall assume <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>) to have the same functional form, of sigmoidal shape. But neither condition is necessary to satisfy the integrability condition.</p></fn>
<fn id="fn0008"><p><sup>8</sup>Incidentally, note that <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p></fn>
<fn id="fn009"><p><sup>9</sup>Using <italic>s</italic><sub><italic>k</italic></sub>(<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>): &#x0003D; tanh<italic>i</italic><sub><italic>k</italic></sub>, Tsodyks et al. have reported a paradoxical increase in <italic>x</italic><sub>1</sub> as a result of an increase in &#x003BC;<sub>2</sub>. Unfortunately, this occurs for det <italic>J</italic> &#x0003E; 0. What we can assure is that there is a saddle point involved.</p></fn>
<fn id="fn0010"><p><sup>10</sup>For &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02260; 0, Equation (10) can be arrived at from Equation (9) given that for &#x003B2;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; &#x0221E;, <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">ln</mml:mo><mml:mo class="qopname">cosh</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo class="qopname">ln</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Once Equation (10) is obtained, one can let &#x003BC;<sub><italic>k</italic></sub> &#x02192; 0.</p></fn>
<fn id="fn0011"><p><sup>11</sup>(through an inverse saddle-node bifurcation at the &#x0201C;on&#x0201D; location: in one variable, <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> resets the slope to zero at <italic>x</italic> &#x0003D; <italic>a</italic>).</p></fn>
<fn id="fn0012"><p><sup>12</sup>(located at the solution <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <italic>J</italic><bold>x</bold>&#x0002B;M &#x0003D; 0)</p></fn>
<fn id="fn0013"><p><sup>13</sup>Everywhere except possibly in a set of measure 0.</p></fn>
<fn id="fn0014"><p><sup>14</sup>This has the additional advantage that the flow is purely dissipative, facilitating dynamical conclusions from the landscape.</p></fn>
</fn-group>
<fn-group>
<fn fn-type="financial-disclosure"><p><bold>Funding.</bold> RD acknowledges support from UNMdP <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://dx.doi.org/10.13039/501100007070">http://dx.doi.org/10.13039/501100007070</ext-link>, under Grant 15/E779&#x02013;EXA826/17. NM acknowledges a Doctoral Fellowship from CONICET <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://http://dx.doi.org/10.13039/501100002923">http://dx.doi.org/10.13039/501100002923</ext-link>.</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article> 