The Effective communication of brain network dynamics under different states

Abstract

Cognitive processing requires to flexibly combine information from functionally specialized neural processes that are widely distributed throughout the brain. Neuroimaging studies have consistently reported that functional network configurations are governed by two fundamental principles of brain organization: functional segregation and integration. Yet, the mechanisms underlying the dynamic network reorganization are not well understood. In this work, we present evidence for two mechanisms through which the dynamic system-level integration is modulated. On the one hand, the large-scale brain organization is mediated by transient changes in phase-synchronization, facilitating global information flow between distant cortical areas as proposed by the "Communication Through Coherence" (CTC) theory. And in the other, it is mediated by the ascending neuromodulatory system. Neuromodulators constrain local processes by selectively changing the balance of the excitation and inhibition of individual brain regions.

El procesamiento cognitivo requiere combinar de manera flexible la información de procesos neuronales funcionalmente especializados que están ampliamente distribuidos por todo el cerebro. Los estudios de neuroimagen han informado consistentemente que las configuraciones de red funcional se rigen por dos principios fundamentales de la organización del cerebro: segregación funcional e integración. Sin embargo, los mecanismos subyacentes a la reorganización dinámica de la red aún no son bien comprendidos. En este trabajo, presentamos evidencia en soporte de dos mecanismos a través de los cuales se modula la integración dinámica a nivel de sistema. Por un lado, la organización del cerebro a gran escala está mediada por cambios transitorios en la sincronización de fases, lo que facilita el flujo de información global entre áreas corticales distantes como lo propone la teoría de "comunicación a través de la coherencia" (CTC). Y por otro, está mediada por el sistema neuromodulador ascendente. Los neuromoduladores restringen los procesos locales al cambiar selectivamente el equilibrio de la excitación e inhibición de las regiones cerebrales individuales.