Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness

Autores
Sanz Perl Hernandez, Yonatan; Bocaccio, Hernan; Pallavicini, Carla; Perez Ipiña, Ignacio Martin; Laureys, Steven; Laufs, Helmut; Kringelbach, Morten; Deco, Gustavo; Tagliazucchi, Enzo Rodolfo
Año de publicación
2021
Idioma
inglés
Tipo de recurso
artículo
Estado
versión publicada
Descripción
The cognitive functions of human and nonhuman primates rely on the dynamic interplay of distributed neural assemblies. As such, it seems unlikely that cognition can be supported by macroscopic brain dynamics at the proximity of equilibrium. We confirmed this hypothesis by investigating electrocorticography data from nonhuman primates undergoing different states of unconsciousness (sleep, and anesthesia with propofol, ketamine, and ketamine plus medetomidine), and functional magnetic resonance imaging data from humans, both during deep sleep and under propofol anesthesia. Systematically, all states of reduced consciousness unfolded at higher proximity to equilibrium compared to conscious wakefulness, as demonstrated by the computation of entropy production and the curl of probability flux in phase space. Our results establish nonequilibrium macroscopic brain dynamics as a robust signature of consciousness, opening the way for the characterization of cognition and awareness using tools from statistical mechanics.
Fil: Sanz Perl Hernandez, Yonatan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad de San Andrés; Argentina. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; España
Fil: Bocaccio, Hernan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Pallavicini, Carla. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Perez Ipiña, Ignacio Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Laureys, Steven. Université de Liège; Bélgica
Fil: Laufs, Helmut. Christian Albrechts Universitat Zu Kiel; Alemania
Fil: Kringelbach, Morten. University of Oxford; Reino Unido
Fil: Deco, Gustavo. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; España
Fil: Tagliazucchi, Enzo Rodolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad Adolfo Ibañez; Chile
Materia
Cosciousness
Brain dynamics
Electroencephalography
Statistical mechanics
Nivel de accesibilidad
acceso abierto
Condiciones de uso
https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/
Repositorio
CONICET Digital (CONICET)
Institución
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
OAI Identificador
oai:ri.conicet.gov.ar:11336/182155
Acceder
id CONICETDig_3b07654dff295ac7cb64ef7aec4a8cf0
oai_identifier_str oai:ri.conicet.gov.ar:11336/182155
network_acronym_str CONICETDig
repository_id_str 3498
network_name_str CONICET Digital (CONICET)
spelling Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousnessSanz Perl Hernandez, YonatanBocaccio, HernanPallavicini, CarlaPerez Ipiña, Ignacio MartinLaureys, StevenLaufs, HelmutKringelbach, MortenDeco, GustavoTagliazucchi, Enzo RodolfoCosciousnessBrain dynamicsElectroencephalographyStatistical mechanicshttps://purl.org/becyt/ford/1.3https://purl.org/becyt/ford/1The cognitive functions of human and nonhuman primates rely on the dynamic interplay of distributed neural assemblies. As such, it seems unlikely that cognition can be supported by macroscopic brain dynamics at the proximity of equilibrium. We confirmed this hypothesis by investigating electrocorticography data from nonhuman primates undergoing different states of unconsciousness (sleep, and anesthesia with propofol, ketamine, and ketamine plus medetomidine), and functional magnetic resonance imaging data from humans, both during deep sleep and under propofol anesthesia. Systematically, all states of reduced consciousness unfolded at higher proximity to equilibrium compared to conscious wakefulness, as demonstrated by the computation of entropy production and the curl of probability flux in phase space. Our results establish nonequilibrium macroscopic brain dynamics as a robust signature of consciousness, opening the way for the characterization of cognition and awareness using tools from statistical mechanics.Fil: Sanz Perl Hernandez, Yonatan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad de San Andrés; Argentina. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; EspañaFil: Bocaccio, Hernan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; ArgentinaFil: Pallavicini, Carla. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; ArgentinaFil: Perez Ipiña, Ignacio Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; ArgentinaFil: Laureys, Steven. Université de Liège; BélgicaFil: Laufs, Helmut. Christian Albrechts Universitat Zu Kiel; AlemaniaFil: Kringelbach, Morten. University of Oxford; Reino UnidoFil: Deco, Gustavo. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; EspañaFil: Tagliazucchi, Enzo Rodolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad Adolfo Ibañez; ChileAmerican Physical Society2021-07info:eu-repo/semantics/articleinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_6501info:ar-repo/semantics/articuloapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/11336/182155Sanz Perl Hernandez, Yonatan; Bocaccio, Hernan; Pallavicini, Carla; Perez Ipiña, Ignacio Martin; Laureys, Steven; et al.; Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness; American Physical Society; Physical Review E: Statistical, Nonlinear and Soft Matter Physics; 104; 1; 7-2021; 1-52470-00452470-0053CONICET DigitalCONICETenginfo:eu-repo/semantics/altIdentifier/doi/10.1103/PhysRevE.104.014411info:eu-repo/semantics/altIdentifier/url/https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.104.014411info:eu-repo/semantics/altIdentifier/arxiv/https://arxiv.org/abs/2012.10792info:eu-repo/semantics/openAccesshttps://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/reponame:CONICET Digital (CONICET)instname:Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas2025-09-29T10:44:14Zoai:ri.conicet.gov.ar:11336/182155instacron:CONICETInstitucionalhttp://ri.conicet.gov.ar/Organismo científico-tecnológicoNo correspondehttp://ri.conicet.gov.ar/oai/requestdasensio@conicet.gov.ar; lcarlino@conicet.gov.arArgentinaNo correspondeNo correspondeNo correspondeopendoar:34982025-09-29 10:44:14.387CONICET Digital (CONICET) - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicasfalse
dc.title.none.fl_str_mv Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
title Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
spellingShingle Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
Sanz Perl Hernandez, Yonatan
Cosciousness
Brain dynamics
Electroencephalography
Statistical mechanics
title_short Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
title_full Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
title_fullStr Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
title_full_unstemmed Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
title_sort Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness
dc.creator.none.fl_str_mv Sanz Perl Hernandez, Yonatan
Bocaccio, Hernan
Pallavicini, Carla
Perez Ipiña, Ignacio Martin
Laureys, Steven
Laufs, Helmut
Kringelbach, Morten
Deco, Gustavo
Tagliazucchi, Enzo Rodolfo
author Sanz Perl Hernandez, Yonatan
author_facet Sanz Perl Hernandez, Yonatan
Bocaccio, Hernan
Pallavicini, Carla
Perez Ipiña, Ignacio Martin
Laureys, Steven
Laufs, Helmut
Kringelbach, Morten
Deco, Gustavo
Tagliazucchi, Enzo Rodolfo
author_role author
author2 Bocaccio, Hernan
Pallavicini, Carla
Perez Ipiña, Ignacio Martin
Laureys, Steven
Laufs, Helmut
Kringelbach, Morten
Deco, Gustavo
Tagliazucchi, Enzo Rodolfo
author2_role author
author
author
author
author
author
author
author
dc.subject.none.fl_str_mv Cosciousness
Brain dynamics
Electroencephalography
Statistical mechanics
topic Cosciousness
Brain dynamics
Electroencephalography
Statistical mechanics
purl_subject.fl_str_mv https://purl.org/becyt/ford/1.3
https://purl.org/becyt/ford/1
dc.description.none.fl_txt_mv The cognitive functions of human and nonhuman primates rely on the dynamic interplay of distributed neural assemblies. As such, it seems unlikely that cognition can be supported by macroscopic brain dynamics at the proximity of equilibrium. We confirmed this hypothesis by investigating electrocorticography data from nonhuman primates undergoing different states of unconsciousness (sleep, and anesthesia with propofol, ketamine, and ketamine plus medetomidine), and functional magnetic resonance imaging data from humans, both during deep sleep and under propofol anesthesia. Systematically, all states of reduced consciousness unfolded at higher proximity to equilibrium compared to conscious wakefulness, as demonstrated by the computation of entropy production and the curl of probability flux in phase space. Our results establish nonequilibrium macroscopic brain dynamics as a robust signature of consciousness, opening the way for the characterization of cognition and awareness using tools from statistical mechanics.
Fil: Sanz Perl Hernandez, Yonatan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad de San Andrés; Argentina. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; España
Fil: Bocaccio, Hernan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Pallavicini, Carla. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Perez Ipiña, Ignacio Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina
Fil: Laureys, Steven. Université de Liège; Bélgica
Fil: Laufs, Helmut. Christian Albrechts Universitat Zu Kiel; Alemania
Fil: Kringelbach, Morten. University of Oxford; Reino Unido
Fil: Deco, Gustavo. Universitat Pompeu Fabra. Center For Brain And Cognition.; España
Fil: Tagliazucchi, Enzo Rodolfo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Departamento de Física; Argentina. Universidad Adolfo Ibañez; Chile
description The cognitive functions of human and nonhuman primates rely on the dynamic interplay of distributed neural assemblies. As such, it seems unlikely that cognition can be supported by macroscopic brain dynamics at the proximity of equilibrium. We confirmed this hypothesis by investigating electrocorticography data from nonhuman primates undergoing different states of unconsciousness (sleep, and anesthesia with propofol, ketamine, and ketamine plus medetomidine), and functional magnetic resonance imaging data from humans, both during deep sleep and under propofol anesthesia. Systematically, all states of reduced consciousness unfolded at higher proximity to equilibrium compared to conscious wakefulness, as demonstrated by the computation of entropy production and the curl of probability flux in phase space. Our results establish nonequilibrium macroscopic brain dynamics as a robust signature of consciousness, opening the way for the characterization of cognition and awareness using tools from statistical mechanics.
publishDate 2021
dc.date.none.fl_str_mv 2021-07
dc.type.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion
http://purl.org/coar/resource_type/c_6501
info:ar-repo/semantics/articulo
format article
status_str publishedVersion
dc.identifier.none.fl_str_mv http://hdl.handle.net/11336/182155
Sanz Perl Hernandez, Yonatan; Bocaccio, Hernan; Pallavicini, Carla; Perez Ipiña, Ignacio Martin; Laureys, Steven; et al.; Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness; American Physical Society; Physical Review E: Statistical, Nonlinear and Soft Matter Physics; 104; 1; 7-2021; 1-5
2470-0045
2470-0053
CONICET Digital
CONICET
url http://hdl.handle.net/11336/182155
identifier_str_mv Sanz Perl Hernandez, Yonatan; Bocaccio, Hernan; Pallavicini, Carla; Perez Ipiña, Ignacio Martin; Laureys, Steven; et al.; Nonequilibrium brain dynamics as a signature of consciousness; American Physical Society; Physical Review E: Statistical, Nonlinear and Soft Matter Physics; 104; 1; 7-2021; 1-5
2470-0045
2470-0053
CONICET Digital
CONICET
dc.language.none.fl_str_mv eng
language eng
dc.relation.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/altIdentifier/doi/10.1103/PhysRevE.104.014411
info:eu-repo/semantics/altIdentifier/url/https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.104.014411
info:eu-repo/semantics/altIdentifier/arxiv/https://arxiv.org/abs/2012.10792
dc.rights.none.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/
eu_rights_str_mv openAccess
rights_invalid_str_mv https://creativecommons.org/licenses/by/2.5/ar/
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
application/pdf
application/pdf
application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv American Physical Society
publisher.none.fl_str_mv American Physical Society
dc.source.none.fl_str_mv reponame:CONICET Digital (CONICET)
instname:Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
reponame_str CONICET Digital (CONICET)
collection CONICET Digital (CONICET)
instname_str Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
repository.name.fl_str_mv CONICET Digital (CONICET) - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
repository.mail.fl_str_mv dasensio@conicet.gov.ar; lcarlino@conicet.gov.ar
_version_ 1844614479488221184
score 13.070432

Publicaciones similares