AC
Andrés Canales‐Johnson
Author with expertise in Neuronal Oscillations in Cortical Networks
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
27
(63% Open Access)
Cited by:
250
h-index:
20
/
i10-index:
28
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Spectral Signatures of Reorganised Brain Networks in Disorders of Consciousness

Srivas Chennu et al.Oct 16, 2014
Theoretical advances in the science of consciousness have proposed that it is concomitant with balanced cortical integration and differentiation, enabled by efficient networks of information transfer across multiple scales. Here, we apply graph theory to compare key signatures of such networks in high-density electroencephalographic data from 32 patients with chronic disorders of consciousness, against normative data from healthy controls. Based on connectivity within canonical frequency bands, we found that patient networks had reduced local and global efficiency, and fewer hubs in the alpha band. We devised a novel topographical metric, termed modular span, which showed that the alpha network modules in patients were also spatially circumscribed, lacking the structured long-distance interactions commonly observed in the healthy controls. Importantly however, these differences between graph-theoretic metrics were partially reversed in delta and theta band networks, which were also significantly more similar to each other in patients than controls. Going further, we found that metrics of alpha network efficiency also correlated with the degree of behavioural awareness. Intriguingly, some patients in behaviourally unresponsive vegetative states who demonstrated evidence of covert awareness with functional neuroimaging stood out from this trend: they had alpha networks that were remarkably well preserved and similar to those observed in the controls. Taken together, our findings inform current understanding of disorders of consciousness by highlighting the distinctive brain networks that characterise them. In the significant minority of vegetative patients who follow commands in neuroimaging tests, they point to putative network mechanisms that could support cognitive function and consciousness despite profound behavioural impairment.
0
Citation215
0
Save
39

Drawing the experience dynamics of meditation

Barbara Jachs et al.Mar 7, 2022
Abstract Subjective experiences are hard to capture quantitatively without losing depth and nuance, and subjective report analyses are time-consuming, their interpretation contested. We describe Temporal Experience Tracing, a method that captures relevant aspects of the unified conscious experience over a continuous period of time. The continuous multidimensional description of an experience allows us to computationally reconstruct common experience states. Applied to data from 852 meditations – from novice (n=20) and an experienced (n=12) meditators practising Breathing, Loving-Kindness and Open-Monitoring meditation – we reconstructed four recurring experience states with an average duration of 6:46 min (SD = 5:50 min) and their transition dynamics. Three of the experience states assimilated the three meditation styles practiced, and a fourth experience state represented a common low-motivational, ‘off-task’ state for both groups. We found that participants in both groups spent more time in the task-related experience state during Loving Kindness meditation than other meditation styles and were less likely to transition into an ‘off-task’ experience state during Loving Kindness meditation than during Breathing meditation. We demonstrate that drawing the dynamics of experience enables the quantitative analysis of subjective experiences, transforming the time dimension of the stream of consciousness from narrative to measurable.
39
Paper
Citation11
0
Save
41

Minimal exposures reveal visual processing priorities

Renzo Lanfranco et al.Oct 7, 2021
ABSTRACT Human vision can detect a single photon, but the minimal exposure required to extract meaning from stimulation remains unknown. This requirement cannot be cha racterised by stimulus energy, because the system is differentially sensitive to attributes defined by configuration rather than physical amplitude. Determining minimal exposure durations required for processing various stimulus attributes can thus reveal the system’s priorities. Using a tachistoscope enabling arbitrarily brief displays, we established minimal durations for processing human faces, a stimulus category whose perception is associated with several well-characterised behavioural and neural markers. Neural and psychophysical measures showed a sequence of distinct minimal exposures for stimulation detection, object-level detection, face-specific processing, and emotion-specific processing. Resolving ongoing debates, face orientation affected minimal exposure but emotional expression did not. Awareness emerged with detection, showing no evidence of subliminal perception. These findings inform theories of visual processing and awareness, elucidating the information to which the visual system is attuned.
35

Ketamine and sleep modulate neural complexity dynamics in cats

Claudia Pascovich et al.Jun 25, 2021
Abstract There is increasing evidence that level of consciousness can be captured by neural informational complexity: for instance, complexity, as measured by the Lempel Ziv (LZ) compression algorithm, decreases during anesthesia and non-rapid eye movement (NREM) sleep in humans and rats, when compared to LZ in awake and REM sleep. In contrast, LZ is higher in humans under the effect of psychedelics, including subanesthetic doses of ketamine. However, it is both unclear how this result would be modulated by varying ketamine doses, and whether it would extend to other species. Here we studied LZ with and without auditory stimulation during wakefulness and different sleep stages in 5 cats implanted with intracranial electrodes, as well as under subanesthetic doses of ketamine (5, 10, and 15 mg/kg i.m.). In line with previous results, LZ was lowest in NREM sleep, but similar in REM and wakefulness. Furthermore, we found an inverted U-shaped curve following different levels of ketamine doses in a subset of electrodes, primarily in prefrontal cortex. However, it is worth noting that the variability in the ketamine dose-response curve across cats and cortices was larger than that in the sleep-stage data, highlighting the differential local dynamics created by two different ways of modulating conscious state. These results replicate previous findings, both in humans and other species, demonstrating that neural complexity is highly sensitive to capture state changes between wake and sleep stages while adding a local cortical description. Finally, this study describes the differential effects of ketamine doses, replicating a rise in complexity for low doses, and further fall as doses approach anesthetic levels in a differential manner depending on the cortex. In brief Previous studies have shown that Lempel Ziv complexity (LZ) decreases during anesthesia and non-rapid eyes movement (NREM) sleep in humans and rats whereas it increases in REM sleep and under the effect of psychedelics. In this work we show that in the cat, LZ is lowest in NREM sleep, but similar in REM and wakefulness. We also found a ketamine inverted U-shape dose-response curve only in the auditory and prefrontal cortex, with a much larger variability in the ketamine across cats and cortices when compared to the sleep cycle.
6

Feedback information sharing in the human brain reflects bistable perception in the absence of report

Andrés Canales‐Johnson et al.Nov 4, 2021
Abstract In the search for the neural basis of conscious experience, perception and the cognitive processes associated with reporting perception are typically confounded as neural activity is recorded while participants explicitly report what they experience. Here we present a novel way to disentangle perception from report using eye-movement analysis techniques based on convolutional neural networks and neurodynamical analyses based on information theory. We use a bistable visual stimulus that instantiates two well-known properties of conscious perception: integration and differentiation. At any given moment, observers either perceive the stimulus as one integrated unitary object or as two differentiated objects that are clearly distinct from each other. Using electroen-cephalography, we show that measures of integration and differentiation based on information theory closely follow participants’ perceptual experience of those contents when switches were reported. We observed increased information integration between anterior to posterior electrodes (front to back) prior to a switch to the integrated percept, and higher information differentiation of anterior signals leading up to reporting the differentiated percept. Crucially, information integration was closely linked to perception and even observed in a no-report condition when perceptual transitions were inferred from eye movements alone. In contrast, the link between neural differentiation and perception was observed solely in the active report condition. Our results, therefore, suggest that perception and the processes associated with report require distinct amounts of anterior-posterior network communication and anterior information differentiation. While front-to-back directed information is associated with changes in the content of perception when viewing bistable visual stimuli, regardless of report, frontal information differentiation was absent in the no-report condition and therefore is not directly linked to perception per se .
1

High arousal disrupts the neural signatures of conflict processing but not behavioural performance

Chiara Avancini et al.Aug 2, 2023
ABSTRACT Fluctuations in physical arousal occur constantly along the day and become particularly pronounced at extreme states such as deep sleep or intense physical exertion. While changes in arousal are thought to affect cognitive control, it has been suggested that cognitive control is resilient during the drowsy state as a result of neural compensatory mechanisms. Here, we investigate the higher end of the arousal spectrum by looking at the modulatory effect of high arousal on behavioural and neural markers of cognitive control. We predicted that preserved behavioural measures of cognitive control under high arousal would be accompanied by changes in its typical neural correlates. We conducted an electroencephalography study in which 39 expert cyclists (37 males, 2 females) were presented with an auditory stimulus-response conflict task while cycling on a stationary bike. Participants performed two experimental sessions on different days: one at low intensity and one at high intensity pedalling. Consistent with our predictions, we found no behavioural difference in cognitive conflict measures between the two exercise conditions. However, the typical midfrontal-theta power signature of cognitive control was no longer reliable at high-intensity exercise. Similarly, time-frequency multivariate decoding failed to decode stimulus conflict. On the other hand, we found no difference between intensity levels in whole-brain connectivity measures. Therefore, we suggest that the human cognitive control system is resilient even at high arousal states and propose that the dissociation between behavioural and neural measures could indicate the activation of neural compensatory mechanisms as a response to physiological pressure. SIGNIFICANCE STATEMENT Effects of spontaneous physiological changes on brain and cognition have traditionally been studied in states of decreased arousal. However, virtually no research has been conducted on the higher end of the arousal spectrum. In this study, participants performed an auditory conflict task while cycling at low and high intensity. Behavioural performance was robust in both conditions. However, changes in the typical univariate and multivariate signatures of cognitive control induced by arousal suggest a reconfiguration of the neural processes supervising cognitive control during heightened states of strain.
8

Breathwork-Induced Psychedelic Experiences Modulate Neural Dynamics

Evan Lewis-Healey et al.Feb 22, 2024
Abstract Breathwork is a term for an understudied school of practices that involve the intentional modulation of respiration to induce an altered state of consciousness (ASC). We map here the neural dynamics of mental content during breathwork, using a neurophenomenological approach by combining Temporal Experience Tracing, a quantitative phenomenological methodology that preserves the temporal dynamics of subjective experience, with low-density portable EEG devices for every session. Fourteen novice participants completed a series of up to 28 breathwork sessions - of 20, 40 or 60 minutes - in 28 days, yielding a neurophenomenological dataset of 301 breathwork sessions. Using hypothesis-driven and data-driven approaches, we found that positive ‘psychedelic-like’ subjective experiences that occurred within the breathwork sessions were associated with increased neural Lempel-Ziv complexity. Further, exploratory analyses showed that the aperiodic exponent of the power spectral density (PSD) - but not oscillatory alpha power - was also associated with these psychedelic-like phenomenological substates. We demonstrate the strength of this neurophenomenological framework, maximising the concurrent data acquisition of brain activity and phenomenological dynamics in multiple experiential dimensions. Non-linear aspects of brain dynamics, like complexity and the aperiodic exponent of the PSD, neurally map both a data-driven complex composite of positive experiences, and hypothesis-driven aspects of psychedelic-like experience states such as high bliss.
1

Staying in control: characterising the mechanisms underlying cognitive control in high and low arousal states

Clara Alameda et al.Apr 17, 2023
Abstract Throughout the day, humans show natural fluctuations in arousal that impact cognitive function. To study the behavioural dynamics of cognitive control during high and low arousal states, healthy participants performed an auditory conflict task during high-intensity physical exercise ( N = 39) or drowsiness ( N = 33). In line with the pre-registered hypotheses, conflict and conflict adaptation effects were preserved during both altered arousal states. Overall task performance was markedly poorer during low arousal, but not for high arousal. Modelling behavioural dynamics with drift-diffusion analysis revealed evidence accumulation and non-decision time decelerated, and decisional boundaries became wider during low arousal, whereas high arousal was unexpectedly associated with a decrease in the interference of task-irrelevant information processing. These findings show how arousal differentially modulates cognitive control at both sides of normal alertness, and further validates drowsiness and physical exercise as key experimental models to disentangle the interaction between physiological fluctuations on cognitive dynamics.
1

Principles for Optimal Window Size Selection for Infant and Adult EEG Connectivity Analysis

Lorena Santamaría et al.Jun 2, 2023
Abstract Neural connectivity analysis is often performed on continuous data that has been discretized into temporal windows of a fixed length. However, the selection of an optimal window length is non-trivial, and depends on the properties of the connectivity metric being used as well as the effects of interest within the data (e.g. developmental or inter-brain effects). A systematic investigation of these factors, and objective criteria for window size selection are currently missing in the literature, particularly in regard to pediatric datasets. Here, we provide a principled examination of the effect of window size on optimization of signal to noise ratio for linear and non-linear EEG connectivity, as applied to infant, adult and dyadic (infant-adult) datasets. We employed a linear weighted phase lag index (wPLI), and a nonlinear weighted symbolic mutual information (wSMI) metric to assess brain connectivity for each dataset. Our results showed a clear polar dissociation between linear and non-linear metrics, as well as between infant and adult datasets in optimal window size. Further, optimal dyadic (infant-adult) window size settings defaulted to one or the partner rather than reflecting an intermediate compromise. Given the specificity of these results (i.e. there was no single window size that was optimal for all contrasts), we conclude that a formal analysis of optimal window size may be useful prior to conducting any new connectivity analysis. Here, we recommend guiding principles, performance metrics and decision criteria for optimal and unbiased window size selection.
Load More