Publications · 2017 · Journal article

Energy landscape analysis of the subcortical brain network unravels system properties beneath resting state dynamics

Jiyoung Kang, Chongwon Pae, Hae-Jeong Park

NeuroImage 149, 153-164Cover article

Abstract

The configuration of the human brain system at rest, which is in a transitory phase among multistable states, remains unknown. To investigate the dynamic systems properties of the human brain at rest, we constructed an energy landscape for the state dynamics of the subcortical brain network, a critical center that modulates whole brain states, using resting state fMRI. We evaluated alterations in energy landscapes following perturbation in network parameters, which revealed characteristics of the state dynamics in the subcortical brain system, such as maximal number of attractors, unequal temporal occupations, and readiness for reconfiguration of the system. Perturbation in the network parameters, even those as small as the ones in individual nodes or edges, caused a significant shift in the energy landscape of brain systems. The effect of the perturbation on the energy landscape depended on the network properties of the perturbed nodes and edges, with greater effects on hub nodes and hubs-connecting edges in the subcortical brain system. Two simultaneously perturbed nodes produced perturbation effects showing low sensitivity in the interhemispheric homologous nodes and strong dependency on the more primary node among the two. This study demonstrated that energy landscape analysis could be an important tool to investigate alterations in brain networks that may underlie certain brain diseases, or diverse brain functions that may emerge due to the reconfiguration of the default brain network at rest.

Korean summary

휴지 상태의 뇌가 여러 안정 상태 사이를 오가는 역동적 체계라는 관점에서, 전뇌 상태를 조절하는 핵심 부위인 피질하 뇌연결망의 상태 역동을 에너지 지형(energy landscape) 분석으로 살핀 연구입니다. 휴지기 fMRI 자료로 피질하 연결망의 에너지 지형을 구성한 뒤, 연결망 매개변수를 인위적으로 교란했을 때 지형이 어떻게 변하는지 평가했습니다. 개별 노드나 연결 하나 정도의 작은 교란도 에너지 지형을 유의하게 바꾸었고, 특히 허브 노드와 허브를 잇는 연결을 교란했을 때 영향이 컸으며, 두 노드를 동시에 교란하면 좌우 대응 부위에서는 영향이 작고 더 중심적인 노드에 결과가 좌우되는 양상이 확인되었습니다. 에너지 지형 분석이 뇌질환에 따른 연결망 변화나 휴지기 뇌연결망의 재구성에서 비롯되는 다양한 뇌 기능을 탐구하는 유용한 도구가 될 수 있음을 보여줍니다.

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