ABSTRACT Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (dMRI) has become the primary method for non-invasively studying the organization of white matter in the human brain. While many dMRI acquisition sequences have been developed, they all sample q-space in order to characterize water diffusion. Numerous software platforms have been developed for processing dMRI data, but most work on only a subset of sampling schemes or implement only parts of the processing workflow. Reproducible research and comparisons across dMRI methods are hindered by incompatible software, diverse file formats, and inconsistent naming conventions. Here we introduce QSIPrep, an integrative software platform for the processing of diffusion images that is compatible with nearly all dMRI sampling schemes. Drawing upon a diverse set of software suites to capitalize upon their complementary strengths, QSIPrep automatically applies best practices for dMRI preprocessing, including denoising, distortion correction, head motion correction, coregistration, and spatial normalization. Throughout, QSIPrep provides both visual and quantitative measures of data quality as well as “glass-box” methods reporting. Taken together, these features facilitate easy implementation of best practices for processing of diffusion images while simultaneously ensuring reproducibility.

Abstract Understanding how consciousness and cognitive function return after a major perturbation is important clinically and neurobiologically. To address this question, we conducted a three-center study of 30 healthy humans receiving general anesthesia at clinically relevant doses for three hours. We administered a pre- and post-anesthetic battery of neurocognitive tests, recorded continuous electroencephalography to assess cortical dynamics, and monitored sleep-wake activity before and following anesthetic exposure. We hypothesized that cognitive reconstitution would be a process that evolved over time in the following sequence: attention, complex scanning and tracking, working memory, and executive function. Contrary to our hypothesis, executive function returned first and electroencephalographic analyses revealed that frontal cortical dynamics recovered faster than posterior cortical dynamics. Furthermore, actigraphy indicated normal sleep-wake patterns in the post-anesthetic period. These recovery patterns of higher cognitive function and arousal states suggest that the healthy human brain is resilient to the effects of deep general anesthesia.

The relationship between sensory stimuli and perceptions is brain-state dependent: in wakefulness stimuli evoke perceptions; under anesthesia perceptions are abolished; during dreaming and in dissociated states, percepts are internally generated. Here, we exploit this state dependence to identify brain activity associated with internally generated or stimulus-evoked perception. In awake mice, visual stimuli phase reset spontaneous cortical waves to elicit 3-6 Hz feedback traveling waves. These stimulus-evoked waves traverse the cortex and entrain visual and parietal neurons. Under anesthesia and during ketamine-induced dissociation, visual stimuli do not disrupt spontaneous waves. Uniquely in the dissociated state, spontaneous waves traverse the cortex caudally and entrain visual and parietal neurons, akin to stimulus-evoked waves in wakefulness. Thus, coordinated neuronal assemblies orchestrated by traveling cortical waves emerge in states in which perception can manifest. The awake state is privileged in that this coordination is elicited by specifically by external visual stimuli.

Background: Motifs are patterns of inter-connections between nodes of a complex network, and have been investigated as the basic building blocks of directed networks. This study explored the re-organization of 3-node (i.e. 3-electrode) network motifs during anesthetic-induced loss and recovery of consciousness. We hypothesized that motif frequency and topography would change across states of consciousness, and that the frequency and topography associated with consciousness would recover prior to the return of behavioral responsiveness. Methods: Nine healthy subjects underwent a 3-hour controlled anesthetic protocol (propofol induction; isoflurane maintenance) in an operating room, while brain activity was recorded through 128-channel electroencephalography (EEG). In the alpha (8-13 Hz) frequency band, five-minute epochs of EEG were extracted for: baseline; induction; unconsciousness; 30-, 10- and 5-minutes pre-recovery of consciousness; 30- and 180-minutes post-recovery of consciousness. We constructed a functional brain network using the weighted phase lag index and the directed phase lag index, which were then used to calculate graph theoretical brain network properties and the frequency and topography of 3-node (i.e. 3-electrode) motifs. Results: Three motifs (motifs 1, 2 and 5) were significantly present across participants and epochs, when compared to random networks (p<0.05). While clustering coefficient and modularity were significantly increased during only some unconscious epochs (p-values<0.05), the topography of motifs 1 and 5 changed significantly between conscious and unconscious states (p<0.01). Motif 5 returned to its baseline topography in parallel with the recovery of consciousness, while motif 1 returned 5 minutes prior to the recovery of consciousness. Conclusions: Our results suggest that anesthetic-induced unconsciousness is associated with a topographic re-organization of network motifs, revealing granular shifts in networks across states of consciousness. As motif topographic re-organization may precede or accompany the behavioral return of consciousness, motifs could contribute to the understanding of the neural building blocks of consciousness.

Abstract Sensory processing is distributed among many brain regions that interact via feedforward and feedback signaling. It has been hypothesized that neuronal oscillations mediating feedforward and feedback interactions organize into travelling waves. However, stimulus evoked travelling waves of sufficient spatial scale have never been demonstrated directly. Here, we show that simple visual stimuli reliably evoke two traveling waves with spatial wavelengths that cover much of the cerebral hemisphere in awake mice. 30-50Hz feedforward waves arise in primary visual cortex (V1) and propagate rostrally, while 3-6Hz feedback waves originate in the association cortex and flow caudally. The phase of the feedback wave modulates the amplitude of the feedforward wave and synchronizes firing between V1 and parietal cortex. Altogether, these results provide direct experimental evidence that visual evoked travelling waves percolate through the cerebral cortex and coordinate neuronal activity across broadly distributed networks mediating visual processing.