Exploring functional connectivity dynamics in brain disorders: a whole-brain computational framework for resting state fMRI signals

Abstract

Brain activity, on every scale, spontaneously fluctuates, thereby exhibiting complex, dynamic interactions that manifest rich synchronization patterns. The past ten years have been dominated by studies intended to further our understanding of the mecha-nisms behind the dynamic interactions within the brain through the basis of its structural and functional connectivity structures. Moreover, there is a tremendous effort to unveil the role that these interactions play in psychiatric disorders. This thesis addresses these questions from novel perspectives. The first pillar of this thesis is the time-varying na-ture of the dynamic interactions between brain regions. The second pillar is the role that FC dynamics play in clinical populations. The third pillar uncovers the connectivity structure that links the observed anatomical and functional connectivity patterns through computational modeling. The final pillar of the thesis proposes a mechanistic explana-tion for brain disorders.

L'activitat del cervell fluctua espontàniament a diferents escales i per tant exhibeix in-teraccions dinàmiques i complexes que manifesten patrons de sincronització rics. Du-rant els darrers deu anys han abundat els estudis orientats a comprendre els mecanismes que hi ha darrere les interaccions cerebrals basant-se en les seves estructures funcionals i estructurals. A més, existeix un esforç ingent per desvetllar el paper que aquestes in-teraccions juguen en els trastorns psiquiàtrics. Aquesta tesi aborda les qüestions esmen-tades des de noves perspectives. El primer pilar d'aquesta tesi és la naturalesa variable en el temps de la interacció dinàmica entre diferents regions del cervell. El segon pilar és el paper que aquesta dinàmica de connectivitat funcional juga en diferents poblacions clíniques. El tercer pilar es centra en l'ús de models computacionals per determinar l'es-tructura de connectivitat que relaciona els patrons de connectivitat funcional i anatòmics observats. El quart pilar de la tesi proposa una explicació del mecanisme dels trastorns cerebrals.