Brain activity during rest : a signature of the underlying network dynammics

Abstract

La actividad cerebral exhibe complejos fenómenos oscilatorios similares a los que se observan en modelos de redes artificiales con osciladores acoplados. Por un lado, estudios sobre la actividad cerebral durante el reposo han demostrado la presencia de fluctuaciones lentas estructuradas y modulaciones de potencia a distintas frecuencias. Simultáneamente, estudios teóricos en el ámbito de la física muestran dinámicas similares usando osciladores acoplados. En este trabajo, por primera vez, se usan modelos de osciladores de fase en redes inspiradas en la arquitectura real del cerebro. Los resultados muestran la aparición espontánea de una dinámica similar a la observada experimentalmente. Además, esta correspondencia es comparable cuantitativamente con datos de neuroimagen, lo que sugiere procesos generales de integración subyacentes a la cognición. Por otra parte, se propone que la actividad cerebral alterada observada en algunas enfermedades psiquiátricas podría tener su origen en desconexiones estructurales que afectarían el comportamiento cooperativo de regiones corticales.

Neural activity in the brain exhibits complex oscillatory phenomena that can be compared with the ones observed in artificial network models of coupled oscillators. In particular, neuroimaging studies of brain activity during rest have reported slow spatiotemporally organized fluctuations and correlated band-limited power modulations. Simultaneously, theoretical works on the area of physics have reported similar dynamic behaviours using simple models of coupled oscillators with intermittent modular synchronization. In this work, for the first time, we use models of phase oscillators in networks inspired in the brain’s wiring architecture. Results show the spontaneous emergence of a dynamics similar to the one observed experimentally. In addition, this correspondence is quantitatively comparable to neuroimaging data, which is suggestive of general integrative processes underlying cognition. Furthermore, we propose that altered brain activity observed in some psychiatric diseases might originate from structural disconnections, which affect the cooperative behaviour of coupled cortical regions.