Temporal Fluctuations in Functional Networks of the Human Brain - Modeling brain transition between cognitive states
Cognitive, Systems and Behavioural Neurobiology
Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
Final Report Abstract
Das Projekt vereinte interdisziplinäre Ansätze zur mathematischen Modellierung und numerischen Simulation adaptiver funktionaler Verbindungen im Gehirn. Es basierte auf theoretischen Methoden und empirischen Daten von bildgebenden Verfahren des Gehirn und war von der Theorie komplexer Systeme und angewandter Mathematik inspiriert. Auf diesen Grundlagen wurden die adaptiven Eigenschaften des menschlichen Gehirns in Ruhe und kognitiven Zuständen untersucht. Verschiedene Synchronisationsmuster neuronaler Aktivität wurden auf unterschiedlichen Netzwerken und mit unterschiedlichen mathematischen Modellen neuronaler Oszillatoren untersucht. Dies beinhaltete sowohl generische Netzwerkstrukture als auch biologisch realistische Netzwerke einfacher Organismen. In Bezug auf Konnektivitätsnetzwerke des menschlichen Gehirns wurden funktionale Netzwerke in Ruhe und unter Einfluss halluzinogener Substanzen untersucht. Letzteres bot eine interessante Anwendung als Illustration eines neu entwickelten Netzwerkmaßes, der geodätischen Entropie. Dieses Maß erlaubt eine lokale Quantifizierung des Einflusses auf einen einzelnen Knoten durch Berücksichtigung der gesamten Netzwerkstruktur. Zusammenfassend tragen die Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der Funktionalität des menschlichen Gehirns während kognitiver Vorgänge bei. Des weiteren entstand ein erheblicher Fortschritt in Bezug auf analytische und modellierende Techniken für Erkenntnisse dynamischer Mechanismen im Gehirn sowie der Analyse der zugrundeliegenden Netzwerkstruktur durch graphentheoretische Methoden.
Publications
- Chimera States in Networks of Type-I Morris-Lecar Neurons, Phys. Rev. E 98, 062217 (2018)
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(See online at https://doi.org/10.1007/s00332-018-9505-7) - Characterizing complex networks using entropy-degree diagrams: unveiling changes in functional brain connectivity induced by Ayahuasca, Entropy 21, 128 (2019)
A. Viol, F. Palhano-Fontes, H. Onias, D. B. de Araujo, P. Hövel und G. M. Viswanathan
(See online at https://doi.org/10.3390/e21020128) - Synchronization patterns in modular neuronal networks: a case study of C. elegans, Front. Appl. Math. Stat. 5, 52 (2019)
A. Pournaki, L. Merfort, J. Ruiz, N. E. Kouvaris, P. Hövel und J. Hizanidis
(See online at https://doi.org/10.3389/fams.2019.00052)
