Psilocybin therapy shows antidepressant potential, but its therapeutic actions are not well understood. We assessed the subacute impact of psilocybin on brain function in two clinical trials of depression. The first was an open-label trial of orally administered psilocybin (10 mg and 25 mg, 7 d apart) in patients with treatment-resistant depression. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was recorded at baseline and 1 d after the 25-mg dose. Beck's depression inventory was the primary outcome measure ( MR/J00460X/1 ). The second trial was a double-blind phase II randomized controlled trial comparing psilocybin therapy with escitalopram. Patients with major depressive disorder received either 2 × 25 mg oral psilocybin, 3 weeks apart, plus 6 weeks of daily placebo ('psilocybin arm') or 2 × 1 mg oral psilocybin, 3 weeks apart, plus 6 weeks of daily escitalopram (10-20 mg) ('escitalopram arm'). fMRI was recorded at baseline and 3 weeks after the second psilocybin dose ( NCT03429075 ). In both trials, the antidepressant response to psilocybin was rapid, sustained and correlated with decreases in fMRI brain network modularity, implying that psilocybin's antidepressant action may depend on a global increase in brain network integration. Network cartography analyses indicated that 5-HT2A receptor-rich higher-order functional networks became more functionally interconnected and flexible after psilocybin treatment. The antidepressant response to escitalopram was milder and no changes in brain network organization were observed. Consistent efficacy-related brain changes, correlating with robust antidepressant effects across two studies, suggest an antidepressant mechanism for psilocybin therapy: global increases in brain network integration.

Recent findings have shown that psychedelics reliably enhance brain entropy (understood as neural signal diversity), and this effect has been associated with both acute and long-term psychological outcomes such as personality changes. These findings are particularly intriguing given that a decrease of brain entropy is a robust indicator of loss of consciousness (e.g. from wakefulness to sleep). However, little is known about how context impacts the entropy-enhancing effect of psychedelics, which carries important implications for how it can be exploited in, for example, psychedelic psychotherapy. This article investigates how brain entropy is modulated by stimulus manipulation during a psychedelic experience, by studying participants under the effects of LSD or placebo, either with gross state changes (eyes closed vs. open) or different stimulus (no stimulus vs. music vs. video). Results show that while brain entropy increases with LSD in all the experimental conditions, it exhibits largest changes when subjects have their eyes closed. Furthermore, brain entropy changes are consistently associated with subjective ratings of the psychedelic experience, but this relationship is disrupted when participants are viewing video — potentially due to a “competition” between external stimuli and endogenous LSD-induced imagery. Taken together, our findings provide strong quantitative evidence for the role of context in modulating neural dynamics during a psychedelic experience, underlining the importance of performing psychedelic psychotherapy in a suitable environment. Additionally, our findings put into question simplistic interpretations of brain entropy as a direct neural correlate of conscious level. Significance Statement The effects of psychedelic substances on conscious experience can be substantially affected by contextual factors, which play a critical role in the outcomes of psychedelic therapy. This study shows how context can modulate not only psychological, but also neurophysiological phenomena during a psychedelic experience. Our findings reveal distinctive effects of having eyes closed after taking LSD, including a more pronounced change on the neural dynamics, and a closer correspondence between brain activity and subjective ratings. Furthermore, our results suggest a competition between external stimuli and internal psychedelic-induced imagery, which supports the practice of carrying out psychedelic therapy with patients having their eyes closed.

Abstract Background N,N-Dimethyltryptamine (DMT) is a short acting psychedelic tryptamine found naturally in many plants and animals. Few studies to date addressed the neural and psychological effects of DMT alone, either administered intravenously or inhaled in freebase form, and none conducted in natural settings. Aims Our primary aim was to study the acute effects of inhaled DMT in natural settings, focusing on questions tuned to the advantages of conducting field research, including the effects of contextual factors (i.e. “set” and “setting”), the possibility of studying a comparatively large number of subjects, and the relaxed mental state of participants consuming DMT in familiar and comfortable settings. Methods We combined state-of-the-art wireless electroencephalography (EEG) with psychometric questionnaires to study the neural and subjective effects of naturalistic DMT use in 35 healthy and experienced participants. Results We observed that DMT significantly decreased the power of alpha (8-12 Hz) oscillations throughout all scalp locations, while simultaneously increasing power of delta (1-4 Hz) and gamma (30-40 Hz) oscillations. Gamma power increases correlated with subjective reports indicative of mystical-type experiences. DMT also increased/decreased global synchrony and metastability in the gamma/alpha band, and resulted in widespread increases in signal complexity. Conclusions Our results are consistent with previous studies of psychedelic action in the human brain, while at the same time suggesting potential EEG markers of mystical-type experiences in natural settings, thus highlighting the importance of investigating these compounds in the contexts where they are naturally consumed.

The regulatory role of the serotonergic system on conscious perception can be investigated perturbatorily with psychedelic drugs such as N,N-Dimethyltryptamine. There is increasing evidence that the serotonergic system gates prior (endogenous) and sensory (exogenous) information in the construction of a conscious experience. Using two generative deep neural networks as examples, we discuss how such models have the potential to be, firstly, an important medium to illustrate phenomenological visual effects of psychedelics-besides paintings, verbal reports and psychometric testing-and, secondly, their utility to conceptualize biological mechanisms of gating the influence of exogenous and endogenous information on visual perception.

Abstract To understand how pharmacological interventions can exert their powerful effects on brain function, we need to understand how they engage the brain’s rich neurotransmitter landscape. Here, we bridge microscale molecular chemoarchitecture and pharmacologically-induced macroscale functional reorganisation, by relating the regional distribution of 19 neurotransmitter receptors and transporters obtained from Positron Emission Tomography, and the regional changes in functional MRI connectivity induced by 10 different mind-altering drugs: propofol, sevoflurane, ketamine, LSD, psilocybin, DMT, ayahuasca, MDMA, modafinil, and methylphenidate. Our results reveal that psychoactive drugs exert their effects on brain function by engaging multiple neurotransmitter systems. The effects of both anaesthetics and psychedelics on brain function are organised along hierarchical gradients of brain structure and function. Finally, we show that regional co-susceptibility to pharmacological interventions recapitulates co-susceptibility to disorder-induced structural alterations. Collectively, these results highlight rich statistical patterns relating molecular chemoarchitecture and drug-induced reorganisation of the brain’s functional architecture.

Abstract The human brain is a complex system, whose activity exhibits flexible and continuous reorganisation across space and time. The decomposition of whole-brain recordings into harmonic modes has revealed a repertoire of gradient-like activity patterns associated with distinct brain functions. However, the way these activity patterns are expressed over time with their changes in various brain states remains unclear. In this study, we develop the Harmonic Decomposition of Spacetime (HADES) framework that characterises how different harmonic modes defined in space are expressed over time , and, as a proof-of-principle, demonstrate the sensitivity and robustness of this approach to specific changes induced by the serotonergic psychedelic N,N-Dimethyltryptamine (DMT) in healthy participants. HADES demonstrates significant decreases in contributions across most low-frequency harmonic modes in the DMT-induced brain state. When normalizing the contributions by condition (DMT and non-DMT), we detect a decrease specifically in the second functional harmonic, which represents the uni- to transmodal functional hierarchy of the brain, supporting the hypothesis that functional hierarchy is changed in psychedelics. Moreover, HADES’ dynamic spacetime measures of fractional occupancy, life time and latent space provide a precise description of the significant changes of the spacetime hierarchical organization of brain activity in the psychedelic state.

Abstract Schizophrenia and states induced by certain psychotomimetic drugs may share some physiological and phenomenological properties, but they differ in fundamental ways: one is a crippling chronic mental disease, while the others are temporary, pharmacologically-induced states presently being explored as treatments for mental illnesses. Building towards a deeper understanding of these different alterations of normal consciousness, here we compare the changes in neural dynamics induced by LSD and ketamine (in healthy volunteers) against those associated with schizophrenia, as observed in resting-state M/EEG recordings. While both conditions exhibit increased neural signal diversity, our findings reveal that this is accompanied by an increased transfer entropy from the front to the back of the brain in schizophrenia, versus an overall reduction under the two drugs. Furthermore, we show that these effects can be reproduced via different alterations of standard Bayesian inference applied on a computational model based on the predictive processing framework. In particular, the effects observed under the drugs are modelled as a reduction of the precision of the priors, while the effects of schizophrenia correspond to an increased precision of sensory information. These findings shed new light on the similarities and differences between schizophrenia and two psychotomimetic drug states, and have potential implications for the study of consciousness and future mental health treatments.

Exploring the intricate relationship between brain's structure and function, and how this affects subjective experience is a fundamental pursuit in neuroscience. Psychedelic substances offer a unique insight into the influences of specific neurotransmitter systems on perception, cognition and consciousness. Specifically, their impact on brain function propagates across the structural connectome, a network of white matter pathways linking different regions. To comprehensively grasp the effects of psychedelic compounds on brain function, we used a theoretically rigorous framework known as connectome harmonic decomposition. This framework provides a robust method to characterize how brain function intricately depends on the organized network structure of the human connectome. We show that the connectome harmonic repertoire under DMT is reshaped in line with other reported psychedelic compounds; psilocybin, LSD and ketamine. Furthermore, we show that the repertoire entropy of connectome harmonics increases under DMT, as with those other psychedelics. Importantly, we demonstrate for the first time that measures of energy spectrum difference and repertoire entropy of connectome harmonics indexes the intensity of subjective experience of the participants in a time-resolved manner reflecting close coupling between connectome harmonics and subjective experience.

Abstract Psychedelic drugs are potent modulators of conscious states and therefore powerful tools for investigating their neurobiology. N,N, Dimethyltryptamine (DMT) is a particularly interesting serotonergic psychedelic that can rapidly induce an extremely immersive state of consciousness characterized by vivid and elaborate visual imagery. In the present study, we investigated the electrophysiological correlates of the DMT-induced altered state, by recording EEG signals from a pool of participants receiving DMT and (separately) placebo (saline), intravenously, while instructed to keep their eyes closed (i.e. ‘resting state’). Consistent with our prior hypotheses, results revealed a spatio-temporal pattern of cortical activation (i.e., travelling waves) similar to that elicited by visual stimulation. Moreover, the typical top-down alpha-band rhythms of closed-eyes rest (i.e. a backward travelling wave) were significantly decreased, while the bottom-up ‘forward travelling wave’, was significantly increased. These results support a recent model proposing that psychedelics reduce the ‘precision-weighting of priors’, thus altering the balance of top-down versus bottom-up information passing, where properties of backward waves are considered correlates of this precision weighting. The robust hypothesis-confirming nature of the present findings imply the discovery of an important mechanistic principle underpinning psychedelic-induced altered states – i.e. reduced backward and increased forward travelling waves - and lend further support to prior assumptions about the functional significance of cortical travelling waves.

Abstract Non-ordinary states of consciousness induced by psychedelics can be accompanied by so-called ‘peak experiences’, characterized at the emotional level by their intensity and positive valence. These experiences are strong predictors of positive outcomes following psychedelic-assisted therapy, and it is therefore important to better understand their biology. Despite growing evidence that the autonomic nervous system (ANS) plays an important role in mediating emotional experiences, its involvement in the psychedelic experience is poorly understood. The aim of this study was to investigate to what extant changes in the relative influence of the sympathetic (SNS) and parasympathetic nervous systems (PNS) over cardiac activity may reflect the subjective experience induced by the short-acting psychedelic N,N-Dimethyltryptamine (DMT). We derived measures of SNS and PNS activity from the electrocardiogram data of 17 participants (11 males, 6 females, mean age = 33.8 y, SD = 8.3) while they received either DMT or placebo. Results show that the joint influence of SNS and PNS (‘sympatho-vagal coactivation’) over cardiac activity was robustly correlated with participants ratings of ‘Spiritual Experience’ and ‘Insightfulness’ during the DMT experience, while also being related to improved wellbeing scores two weeks after the session. In addition, we found that the state of balance between the two ANS branches (‘sympatho-vagal balance’) before DMT injection predicted scores of ‘Insightfulness’ during the DMT experience. These findings demonstrate the important involvement of the ANS in psychedelic-induced peak experiences and may pave the way to the development of biofeedback-based tools to enhance psychedelic-therapy. Significance statement Psychedelics can give rise to intense positive subjective experiences - aligned with Maslow’s notion of ‘peak experiences’ - that can have a positive and enduring impact on mental health. Understanding how these experiences relate to peripheral physiology before and during the acute effects of psychedelics is an important object of enquiry, as it may help advance the therapeutic use of these compounds. In this study, we demonstrate that specific peripheral states computed from heart rate activity recordings predicted and correlated with acute peak experiences and increases in wellbeing. These findings have implications for the relationship between peripheral physiology and altered states of consciousness. Moreover, they highlight a putative marker of physiological ‘readiness’ prior the psychedelic experience that could predict therapeutically relevant mechanisms that might be modified to improve mental health outcomes in psychedelic-therapy.