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Signature of consciousness in brain-wide synchronization patterns of monkey and human fMRI signals

  • During the sleep-wake cycle, the brain undergoes profound dynamical changes, which manifest subjectively as transitions between conscious experience and unconsciousness. Yet, neurophysiological signatures that can objectively distinguish different consciousness states based are scarce. Here, we show that differences in the level of brain-wide signals can reliably distinguish different stages of sleep and anesthesia from the awake state in human and monkey fMRI resting state data. Moreover, a whole-brain computational model can faithfully reproduce changes in global synchronization and other metrics such as functional connectivity, structure-function relationship, integration and segregation across vigilance states. We demonstrate that the awake brain is close to a Hopf bifurcation, which naturally coincides with the emergence of globally correlated fMRI signals. Furthermore, simulating lesions of individual brain areas highlights the importance of connectivity hubs in the posterior brain and subcortical nuclei for maintaining the model in the awake state, as predicted by graph-theoretical analyses of structural data.

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Verfasserangaben:Gerald Hahn, Gorka Zamora-LópezORCiDGND, Lynn UhrigORCiD, Enzo TagliazucchiORCiDGND, Helmut LaufsORCiDGND, Dante MantiniORCiDGND, Morten L. KringelbachORCiDGND, Bechir JarrayaORCiD, Gustavo DecoORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-572093
DOI:https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2020.117470
ISSN:1095-9572
ISSN:1053-8119
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):NeuroImage
Verlag:Elsevier
Verlagsort:Amsterdam [u.a.]
Dokumentart:Wissenschaftlicher Artikel
Sprache:Englisch
Datum der Veröffentlichung (online):01.11.2020
Datum der Erstveröffentlichung:01.11.2020
Veröffentlichende Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Datum der Freischaltung:11.12.2020
Jahrgang:226
Ausgabe / Heft:117470
Seitenzahl:16
HeBIS-PPN:477906370
Institute:Medizin / Medizin
DDC-Klassifikation:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
Sammlungen:Universitätspublikationen
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - Namensnennung-Nicht kommerziell - Keine Bearbeitung 4.0