Entropy is a dimensionless quantity that is used for measuring uncertainty about the state of a system but it can also imply physical qualities, where high entropy is synonymous with high disorder. Entropy is applied here in the context of states of consciousness and their associated neural dynamics, with a particular focus on the psychedelic state. The psychedelic state is considered an exemplar of a primitive or primary state of consciousness that preceded the development of modern, adult, human, normal waking consciousness. Based on neuroimaging data with psilocybin, a classic psychedelic drug, it is argued that the defining feature of ‘primary states’ is elevated entropy in certain aspects of brain function, such as the repertoire of functional connectivity motifs that form and fragment across time. It is noted that elevated entropy in this sense, is a characteristic of systems exhibiting ‘self-organised criticality’, i.e., a property of systems that gravitate towards a ‘critical’ point in a transition zone between order and disorder in which certain phenomena such as power-law scaling appear. This implies that entropy is suppressed in normal waking consciousness, meaning that the brain operates just below criticality. It is argued that this entropy suppression furnishes consciousness with a constrained quality and associated metacognitive functions, including reality-testing and self-awareness. It is also proposed that entry into primary states depends on a collapse of the normally highly organised activity within the default-mode network (DMN) and a decoupling between the DMN and the medial temporal lobes (which are normally significantly coupled). These hypotheses can be tested by examining brain activity and associated cognition in other candidate primary states such as REM sleep and early psychosis and comparing these with non-primary states such as normal waking consciousness and the anaesthetised state.

Significance Lysergic acid diethylamide (LSD), the prototypical “psychedelic,” may be unique among psychoactive substances. In the decades that followed its discovery, the magnitude of its effect on science, the arts, and society was unprecedented. LSD produces profound, sometimes life-changing experiences in microgram doses, making it a particularly powerful scientific tool. Here we sought to examine its effects on brain activity, using cutting-edge and complementary neuroimaging techniques in the first modern neuroimaging study of LSD. Results revealed marked changes in brain blood flow, electrical activity, and network communication patterns that correlated strongly with the drug’s hallucinatory and other consciousness-altering properties. These results have implications for the neurobiology of consciousness and for potential applications of LSD in psychological research.

ORIGINAL RESEARCH article Front. Physiol., 08 February 2012Sec. Fractal Physiology Volume 3 - 2012 | https://doi.org/10.3389/fphys.2012.00015

The mining of huge databases of resting-state brain activity recordings represents state of the art in the assessment of endogenous neuronal activity—and may be a promising tool in the search for functional biomarkers. However, the resting state is an uncontrolled condition and its heterogeneity is neither sufficiently understood nor accounted for. We test the hypothesis that subjects exhibit unstable wakefulness, i.e., drift into sleep during typical resting-state experiments. Analyzing 1,147 resting-state functional magnetic resonance data sets, we revealed a reliable loss of wakefulness in a third of subjects within 3 min and demonstrated the dynamic nature of the resting state, with fundamental changes in the associated functional neuroanatomy. Implications include the necessity of wakefulness monitoring and modeling, taking measures to maintain a state of wakefulness, acknowledging the possibility of sleep and exploring its consequences, and especially the critical assessment of possible false-positive or false-negative results.

Measurement of correlations between brain regions (functional connectivity) using blood oxygen level dependent (BOLD) fMRI has proven to be a powerful tool for studying the functional organization of the brain. Recently, dynamic functional connectivity has emerged as a major topic in the resting-state BOLD fMRI literature. Here, using simulations and multiple sets of empirical observations, we confirm that imposed task states can alter the correlation structure of BOLD activity. However, we find that observations of "dynamic" BOLD correlations during the resting state are largely explained by sampling variability. Beyond sampling variability, the largest part of observed "dynamics" during rest is attributable to head motion. An additional component of dynamic variability during rest is attributable to fluctuating sleep state. Thus, aside from the preceding explanatory factors, a single correlation structure—as opposed to a sequence of distinct correlation structures—may adequately describe the resting state as measured by BOLD fMRI. These results suggest that resting-state BOLD correlations do not primarily reflect moment-to-moment changes in cognitive content. Rather, resting-state BOLD correlations may predominantly reflect processes concerned with the maintenance of the long-term stability of the brain's functional organization.

The relation between large-scale brain structure and function is an outstanding open problem in neuroscience. We approach this problem by studying the dynamical regime under which realistic spatiotemporal patterns of brain activity emerge from the empirically derived network of human brain neuroanatomical connections. The results show that critical dynamics unfolding on the structural connectivity of the human brain allow the recovery of many key experimental findings obtained from functional magnetic resonance imaging, such as divergence of the correlation length, the anomalous scaling of correlation fluctuations, and the emergence of large-scale resting state networks.

Summary

 Lysergic acid diethylamide (LSD) is a non-selective serotonin-receptor agonist that was first synthesized in 1938 and identified as (potently) psychoactive in 1943. Psychedelics have been used by indigenous cultures for millennia [1]; however, because of LSD's unique potency and the timing of its discovery (coinciding with a period of major discovery in psychopharmacology), it is generally regarded as the quintessential contemporary psychedelic [2]. LSD has profound modulatory effects on consciousness and was used extensively in psychological research and psychiatric practice in the 1950s and 1960s [3]. In spite of this, however, there have been no modern human imaging studies of its acute effects on the brain. Here we studied the effects of LSD on intrinsic functional connectivity within the human brain using fMRI. High-level association cortices (partially overlapping with the default-mode, salience, and frontoparietal attention networks) and the thalamus showed increased global connectivity under the drug. The cortical areas showing increased global connectivity overlapped significantly with a map of serotonin 2A (5-HT_2A) receptor densities (the key site of action of psychedelic drugs [4]). LSD also increased global integration by inflating the level of communication between normally distinct brain networks. The increase in global connectivity observed under LSD correlated with subjective reports of "ego dissolution." The present results provide the first evidence that LSD selectively expands global connectivity in the brain, compromising the brain's modular and "rich-club" organization and, simultaneously, the perceptual boundaries between the self and the environment.

Dynamic patterns of brain activity at rest distinguish conscious and unconscious states in humans.

The study of rapid changes in brain dynamics and functional connectivity (FC) is of increasing interest in neuroimaging. Brain states departing from normal waking consciousness are expected to be accompanied by alterations in the aforementioned dynamics. In particular, the psychedelic experience produced by psilocybin (a substance found in "magic mushrooms") is characterized by unconstrained cognition and profound alterations in the perception of time, space and selfhood. Considering the spontaneous and subjective manifestation of these effects, we hypothesize that neural correlates of the psychedelic experience can be found in the dynamics and variability of spontaneous brain activity fluctuations and connectivity, measurable with functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). Fifteen healthy subjects were scanned before, during and after intravenous infusion of psilocybin and an inert placebo. Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD) temporal variability was assessed computing the variance and total spectral power, resulting in increased signal variability bilaterally in the hippocampi and anterior cingulate cortex. Changes in BOLD signal spectral behavior (including spectral scaling exponents) affected exclusively higher brain systems such as the default mode, executive control, and dorsal attention networks. A novel framework enabled us to track different connectivity states explored by the brain during rest. This approach revealed a wider repertoire of connectivity states post-psilocybin than during control conditions. Together, the present results provide a comprehensive account of the effects of psilocybin on dynamical behavior in the human brain at a macroscopic level and may have implications for our understanding of the unconstrained, hyper-associative quality of consciousness in the psychedelic state.

Neural oscillations subserve many human perceptual and cognitive operations. Accordingly, brain functional connectivity is not static in time, but fluctuates dynamically following the synchronization and desynchronization of neural populations. This dynamic functional connectivity has recently been demonstrated in spontaneous fluctuations of the Blood Oxygen Level-Dependent (BOLD) signal, measured with functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). We analyzed temporal fluctuations in BOLD connectivity and their electrophysiological correlates, by means of long (≈50 min) joint electroencephalographic (EEG) and fMRI recordings obtained from two populations: 15 awake subjects and 13 subjects undergoing vigilance transitions. We identified positive and negative correlations between EEG spectral power (extracted from electrodes covering different scalp regions) and fMRI BOLD connectivity in a network of 90 cortical and subcortical regions (with millimeter spatial resolution). In particular, increased alpha (8-12 Hz) and beta (15-30 Hz) power were related to decreased functional connectivity, whereas gamma (30-60 Hz) power correlated positively with BOLD connectivity between specific brain regions. These patterns were altered for subjects undergoing vigilance changes, with slower oscillations being correlated with functional connectivity increases. Dynamic BOLD functional connectivity was reflected in the fluctuations of graph theoretical indices of network structure, with changes in frontal and central alpha power correlating with average path length. Our results strongly suggest that fluctuations of BOLD functional connectivity have a neurophysiological origin. Positive correlations with gamma can be interpreted as facilitating increased BOLD connectivity needed to integrate brain regions for cognitive performance. Negative correlations with alpha suggest a temporary functional weakening of local and long-range connectivity, associated with an idling state.