Erwachen: Vorhersage externer Stimulation zur Erzwingung von Übergängen zwischen verschiedenen Gehirnzuständen

Ein grundlegendes Problem in der Systemneurowissenschaft ist, wie man einen Übergang von einem Gehirnzustand zu einem anderen durch extern getriebene Stimulation, zum Beispiel in Wachheit, Schlaf, Koma oder neuropsychiatrischen Erkrankungen, erzwingen kann. Dies erfordert eine quantitative und robuste Definition eines Gehirnzustands, die bisher schwer zu fassen war. Hier liefern wir eine solche Definition, die zusammen mit der Modellierung des Gesamthirns die systematische Untersuchung in silico ermöglicht, wie simulierte Hirnstimulation Übergänge zwischen verschiedenen Gehirnzuständen bei Menschen erzwingen kann. Insbesondere verwenden wir einen einzigartigen Neuroimaging-Datensatz des menschlichen Schlafs, um systematisch zu untersuchen, wo das Gehirn stimuliert werden muss, um das Erwachen des menschlichen schlafenden Gehirns zu erzwingen und umgekehrt. Wir zeigen, wo dies möglich ist, indem wir einen Gehirnzustand als Ensemble von "metastabilen Teilzuständen" definieren, von denen jeder mit einer probabilistischen Stabilität und Auftretenshäufigkeit ausgestattet ist, die durch ein generatives Gesamt-Hirnmodell angepasst wurde, welches auf der effektiven Konnektivität basiert. Angesichts der biophysikalischen Einschränkungen der direkten elektrischen Stimulation (DES) von Mikrozyklen eröffnet dies spannende Möglichkeiten zur Entdeckung von Stimulationszielen und zur Auswahl von Konnektivitätsmustern, die eine Ausbreitung der durch DES induzierten neuronalen Erregung gewährleisten können, was es potenziell möglich macht, Erwachungen aus komplexen Fällen von Gehirnverletzungen zu schaffen.