Spontaneous brain activity: how dynamics and topology shape the emergent correlation structure

Abstract

Neuroscienti c research in the last decades has revealed that ongoing brain activity exhibits highly structured spatio-temporal patterns of neural activations. The fundamental core of this endogenously generated correlation structure re ects, to a large extent, the complex anatomical organization of the central nervous system, whereas the variability of spontaneous brain activity is determined by regional properties. These cellular and circuit properties are in turn modulated either by external stimuli and ongoing computations as well as by signi cant changes in local dynamics due to the internal system's physiology, such as sleep, or induced by external factors, such as injuries, diseases, hypnosis or psychoactive substances. In this dissertation we will demonstrate how manipulations of regional dynamics and of the topological structure de ned by anatomy determine changes in the emergent large-scale correlation structure displayed by spontaneous brain activity, and how this can be used to shed light on the intriguing but still elusive relationship between structure and function.

En las ultimas décadas, la investigación neurocientífica ha revelado que la actividad del cerebro exhibe patrones de activaciones neuronales altamente estructurados, tanto espacialmente como temporalmente. El núcleo fundamental de esta estructura funcional endógena tiende a reflejar la compleja organización del sistema nervioso central, y que por otro lado, la variabilidad de la actividad espontánea del cerebro es determinada por propriedades regionales. Estas propriedades celulares y de circuito son moduladas tanto por estimulación externa o procesamento de información que por cambios significativos en las dinámicas locales debidos a la fisiología del sistema, como en el caso del sueño, o inducidos por factores externos, como daños, enfermedades, hipnosis o substancias psicoactivas. En la presente tesis se demostrará como manipulaciones de las dinámicas locales y de la estructura topológica definida por la anatomia determinan cambios en la emergente estructura de las correlaciones entre distintas areas que caracteriza la actividad espontánea del cerebro, y como esto puede informar sobre la interesante pero elusiva relación entre estructura y función.