Spatio-temporal dynamics of human fMRI resting rate

Abstract

Spontaneous brain activity, measured under the absence of any overt task, has been investigated under the label of “resting state” for about 20 years with rising interest. While it was known since the beginnings of modern electrophysiology that the brain exhibits spontaneous fluctuations also during rest, the discovery, in 1995, that these fluctuations possess a robust spatio-temporal structure had a profound impact on how we understand and investigate brain activity. In this dissertation, we characterize the spatio-temporal dynamics of resting state on a macroscopic level using fMRI recordings from humans and combining novel data analysis tools with theoretical models on the level of the whole brain. We demonstrate the presence of common patterns of functional connectivity, known as resting state networks (RSNs), that evolve in time in both empirical and model data. We show that spontaneous fluctuations and their statistics are determined by the structure of the brain network and its dynamics.

La actividad cerebral espontánea, o actividad de reposo, es aquella que uno puede registrar cuando el cerebro no está involucrado en ninguna tarea impuesta del exterior (tal como sería la presentación de un estímulo). El estudio de la actividad de reposo ha conocido un interés creciente durante los últimos 20 años. Si bien las fluctuaciones en la actividad de reposo eran conocidas desde los inicios de la electrofisiología moderna, el descubrimiento, en 1995, de que estas fluctuaciones muestran patrones espaciotemporales robustos ha tenido un impacto profundo en la manera de entender e investigar la actividad del cerebro. En esta disertación caracterizamos la dinámica espaciotemporal de la actividad de reposo a nivel macroscópico usando registros de fMRI en humanos y combinando nuevas herramientas de análisis y modelos teóricos del cerebro a gran escala. Observamos patrones comunes de conectividad funcional evolviendo en el tiempo tanto en los datos empíricos como en las simulaciones. Demostramos que las fluctuaciones de reposo y su estadística son determinadas por la estructura de la red cerebral y su dinámica.