Abstract A central question in neuroscience is how consciousness arises from the dynamic interplay of brain structure and function. Departing from the predominant location- centric view in neuroimaging, here we provide an alternative perspective on the neural signatures of human consciousness: one that is intrinsically centered on how the distributed network architecture of the human structural connectome shapes functional activation across scales. We decompose cortical dynamics of resting-state functional MRI into fundamental distributed patterns of structure- function association: the harmonic modes of the human structural connectome. We contrast wakefulness with a wide spectrum of states of consciousness, spanning chronic disorders of consciousness but also pharmacological perturbations of consciousness induced with the anaesthetic propofol and the psychoactive drugs ketamine and LSD. Decomposing this wide spectrum of states of consciousness in terms of “connectome harmonics” reveals a generalisable structure-function signature of loss of consciousness, whether due to anaesthesia or brain injury. A mirror-reverse of this harmonic signature characterises the altered state induced by LSD or ketamine, reflecting psychedelic-induced decoupling of brain function from structure. The topology and neuroanatomy of the human connectome are crucial for shaping the repertoire of connectome harmonics into a fine-tuned indicator of consciousness, correlating with physiological and subjective scores across datasets and capable of discriminating between behaviourally indistinguishable sub-categories of brain-injured patients, tracking the presence of covert consciousness. Overall, connectome harmonic decomposition identifies meaningful relationships between neurobiology, brain function, and conscious experience.

Abstract Psilocybin therapy for depression has started to show promise, yet the underlying causal mechanisms are not currently known. Here we leveraged the differential outcome in responders and non-responders to psilocybin (10mg and 25mg, 7 days apart) therapy for depression - to gain new insights into regions and networks implicated in the restoration of healthy brain dynamics. We used whole-brain modelling to fit the spatiotemporal brain dynamics at rest in both responders and non-responders before treatment. Dynamic sensitivity analysis of systematic perturbation of these models enabled us to identify specific brain regions implicated in a transition from a depressive brain state to a heathy one. Binarizing the sample into treatment responders (>50% reduction in depressive symptoms) versus non-responders enabled us to identify a subset of regions implicated in this change. Interestingly, these regions correlate with in vivo density maps of serotonin receptors 5-HT 2A and 5-HT 1A , which psilocin, the active metabolite of psilocybin, has an appreciable affinity for, and where it acts as a full-to-partial agonist. Serotonergic transmission has long been associated with depression and our findings provide causal mechanistic evidence for the role of brain regions in the recovery from depression via psilocybin.

Abstract We explore the intersection of neural dynamics and the effects of psychedelics in light of distinct timescales in a framework integrating concepts from dynamics, complexity, and plasticity. We call this framework neural geometrodynamics for its parallels with general relativity’s description of the interplay of spacetime and matter. The geometry of trajectories within the dynamical landscape of “fast time” dynamics are shaped by the structure of a differential equation and its connectivity parameters, which themselves evolve over “slow time” driven by state-dependent and state-independent plasticity mechanisms. Finally, the adjustment of plasticity processes (metaplasticity) takes place in an “ultraslow” time scale. Psychedelics flatten the neural landscape, leading to heightened entropy and complexity of neural dynamics, as observed in neuroimaging and modeling studies linking increases in complexity with a disruption of functional integration. We highlight the relationship between criticality, the complexity of fast neural dynamics, and synaptic plasticity. Pathological, rigid, or “canalized” neural dynamics result in an ultrastable confined repertoire, allowing slower plastic changes to consolidate them further. However, under the influence of psychedelics, the destabilizing emergence of complex dynamics leads to a more fluid and adaptable neural state in a process that is amplified by the plasticity-enhancing effects of psychedelics. This shift manifests as an acute systemic increase of disorder and a possibly longer-lasting increase in complexity affecting both short-term dynamics and long-term plastic processes. Our framework offers a holistic perspective of the acute effects of these substances and their potential long-term impacts on neural structure and function.

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 A rich repertoire of oscillatory signals is detected from human brains with electro- and magnetoencephalography (EEG/MEG). However, the principles underwriting coherent oscillations and their link with neural activity remain under debate. Here, we revisit the mechanistic hypothesis that transient brain rhythms are a signature of metastable synchronization, occurring at reduced collective frequencies due to delays between brain areas. We consider a system of damped oscillators in the presence of background noise – approximating the short-lived gamma-frequency oscillations generated within neuronal circuits – coupled according to the diffusion weighted tractography between brain areas. Varying the global coupling strength and conduction speed, we identify a critical regime where spatially and spectrally resolved metastable oscillatory modes (MOMs) emerge at sub-gamma frequencies, approximating the MEG power spectra from 89 healthy individuals at rest. Further, we demonstrate that the frequency, duration, and scale of MOMs – as well as the frequency-specific envelope functional connectivity – can be controlled by global parameters, while the connectome structure remains unchanged. Grounded in the physics of delay-coupled oscillators, these numerical analyses demonstrate how interactions between locally generated fast oscillations in the connectome spacetime structure can lead to the emergence of collective brain rhythms organized in space and time.

A fundamental topological principle is that the container always shapes the content. In neuroscience, this translates into how the brain anatomy shapes brain dynamics. From neuroanatomy, the topology of the mammalian brain can be approximated by local connectivity, accurately described by an exponential distance rule (EDR). The compact, folded geometry of the cortex is shaped by this local connectivity and the geometric harmonic modes can reconstruct much of the functional dynamics. However, this ignores the fundamental role of the rare long-range cortical connections, crucial for improving information processing in the mammalian brain, but not captured by local cortical folding and geometry. Here we show the superiority of harmonics mode combining rare long-range with EDR (EDR+LR) in capturing functional dynamics (specifically long-range functional connectivity and task-evoked brain activity) compared to geometry and EDR representations. Importantly, the orchestration of dynamics is carried out by a more efficient manifold made up of a low number of fundamental EDR+LR modes. Our results show the importance of long-range connectivity for capturing the complexity of functional brain activity through a low-dimensional manifold shaped by fundamental EDR+LR modes.

Abstract Stroke-related disruptions in functional connectivity (FC) often spread beyond lesioned areas and, given the localized nature of lesions, it is unclear how the recovery of FC is orchestrated on a global scale. Since recovery is accompanied by long-term changes in excitability, we propose excitatory-inhibitory (E-I) homeostasis as a driving mechanism. We present a large-scale model of the neocortex, with synaptic scaling of local inhibition, showing how E-I homeostasis can drive the post-lesion restoration of FC and linking it to changes in excitability. We show that functional networks could reorganize to recover disrupted modularity and small-worldness, but not network dynamics, suggesting the need to consider forms of plasticity beyond synaptic scaling of inhibition. On average, we observed widespread increases in excitability, with the emergence of complex lesion-dependent patterns related to biomarkers of relevant side effects of stroke, such as epilepsy, depression and chronic pain. In summary, our results show that the effects of E-I homeostasis extend beyond local E-I balance, driving the restoration of global properties of FC, and relating to post-stroke symptomatology. Therefore, we suggest the framework of E-I homeostasis as a relevant theoretical foundation for the study of stroke recovery and for understanding the emergence of meaningful features of FC from local dynamics.

Abstract Computational whole-brain models describe the resting activity of each brain region based on a local model, inter-regional functional interactions, and a structural connectome that specifies the strength of inter-regional connections. Strokes damage the healthy structural connectome that forms the backbone of these models and produce large alterations in inter-regional functional interactions. These interactions are typically measured by correlating the time series of the activity between two brain regions in a process, called resting functional connectivity. We show that adding information about the structural disconnections produced by a patient’s lesion to a whole-brain model previously trained on structural and functional data from a large cohort of healthy subjects enables the prediction of the resting functional connectivity of the patient and fits the model directly to the patient’s data (Pearson correlation = 0.37; mean square error = 0.005). Furthermore, the model dynamics reproduce functional connectivity-based measures that are typically abnormal in stroke patients and measures that specifically isolate these abnormalities. Therefore, although whole-brain models typically involve a large number of free parameters, the results show that, even after fixing those parameters, the model reproduces results from a population very different than that on which the model was trained. In addition to validating the model, these results show that the model mechanistically captures the relationships between the anatomical structure and the functional activity of the human brain.

Abstract Ketamine is classified as a dissociative anaesthetic that, in sub-anaesthetic doses, can produce an altered state of consciousness characterised by dissociative symptoms, visual and auditory hallucinations, and perceptual distortions. Given the anaesthetic-like and psychedelic-like nature of this compound, it is expected to have different effects on brain dynamics in anaesthetic doses than in low, sub-anaesthetic doses. We investigated this question using connectome harmonic decomposition (CHD), a recently developed method to decompose brain activity in terms of the network organisation of the underlying human structural connectome. Previous research using this method has revealed connectome harmonic signatures of consciousness and responsiveness, with increased influence of global network structure in disorders of consciousness and propofol-induced sedation, and increased influence of localised patterns under the influence of classic psychedelics and sub-anaesthetic doses of ketamine, as compared to normal wakefulness. When we applied the CHD analytical framework to resting-state fMRI data of volunteers during ketamine-induced unresponsiveness, we found increased prevalence of localised harmonics, reminiscent of altered states of consciousness. This is different from traditional GABAergic sedation, where instead the prevalence of global rather than localised harmonics seems to increase with higher doses. In addition, we found that ketamine’s harmonic signature shows higher alignment with those seen in LSD- or psilocybin-induced psychedelic states than those seen in unconscious individuals, whether due to propofol sedation or brain injury. Together, the results indicate that ketamine-induced unresponsiveness, which does not necessarily suppress conscious experience, seems to influence the prevalence of connectome harmonics in the opposite way compared to GABAergic hypnotics. We conclude that the CHD framework offers the possibility to track alterations in conscious awareness (e.g., dreams, sensations) rather than behavioural responsiveness – a discovery made possible by ketamine’s unique property of decoupling these two facets.

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.