メタスト可能な神経ダイナミクスによる認知的柔軟性は、構造コネクトームの損傷によって破壊されます

現在の理論は、健康な神経ダイナミクスは、脳領域が相互作用して統合と分離を同時に最大化するために相互作用する場合に機能することを提案しています。転移性は、認知的柔軟性などの重要な行動特性をもたらす可能性があります。神経のダイナミクスは、脳領域間の基礎となる構造的なつながりによって制約されていることがますます認識されています。したがって、重要な課題は、構造的接続性、神経ダイナミクス、および行動を関連付けることです。外傷性脳損傷（TBI）は、外傷性軸索損傷が大規模な接続性を損傷する際の卓越した構造切除障害であり、影響速度の低下や認知柔軟性の低下を含む特徴的な認知障害を生成します。したがって、TBIは実験的および理論的モデルを提供して、メタステュアブルなダイナミクスが構造的接続性と認知にどのように関連するかを調べます。ここでは、補完的な経験的および計算的アプローチを使用して、健康的な構造コネクトームからのメタ安定性がどのように生じるかを調査し、認知パフォーマンスに関連しています。安静状態の機能的MRIで測定されたTBI後の大規模な神経ダイナミクスの収容性の低下を発見しました。この収集可能性の低下は、拡散MRIを使用して測定されたコネクトームへの損傷と関連していました。さらに、収集可能性の低下は、認知的柔軟性と情報処理の低下と関連していました。経験的に導出された接続データによって定義される計算モデルは、神経ダイナミクスの行動的に関連する変化が構造切断からどのように生じるかを示しています。私たちの調査結果は、正常な脳機能にとってメタステュアブルなダイナミクスがどのように重要であり、ヒトコネクタームの構造を条件とすることを示唆しています。

Current theory proposes that healthy neural dynamics operate in a metastable regime, where brain regions interact to simultaneously maximize integration and segregation. Metastability may confer important behavioral properties, such as cognitive flexibility. It is increasingly recognized that neural dynamics are constrained by the underlying structural connections between brain regions. An important challenge is, therefore, to relate structural connectivity, neural dynamics, and behavior. Traumatic brain injury (TBI) is a pre-eminent structural disconnection disorder whereby traumatic axonal injury damages large-scale connectivity, producing characteristic cognitive impairments, including slowed information processing speed and reduced cognitive flexibility, that may be a result of disrupted metastable dynamics. Therefore, TBI provides an experimental and theoretical model to examine how metastable dynamics relate to structural connectivity and cognition. Here, we use complementary empirical and computational approaches to investigate how metastability arises from the healthy structural connectome and relates to cognitive performance. We found reduced metastability in large-scale neural dynamics after TBI, measured with resting-state functional MRI. This reduction in metastability was associated with damage to the connectome, measured using diffusion MRI. Furthermore, decreased metastability was associated with reduced cognitive flexibility and information processing. A computational model, defined by empirically derived connectivity data, demonstrates how behaviorally relevant changes in neural dynamics result from structural disconnection. Our findings suggest how metastable dynamics are important for normal brain function and contingent on the structure of the human connectome.