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非线性科学 > 模式形成与孤子

arXiv:2507.07583 (nlin)
[提交于 2025年7月10日 ]

标题: 人脑连接组核心网络中由簇同步引起的多尺度相位振荡

标题: Multiscale phase oscillations induced by cluster synchronisation in human connectome core network

Authors:Bosiljka Tadic, Marija Mitrovic Dankulov, Roderick Melnik
摘要: 将脑成像数据映射到人类连接组网络上,使得可以研究全局脑动力学,其中脑枢纽在不同脑区之间的活动传递中起着关键作用。 在这个尺度上,同步过程越来越被研究作为揭示健康大脑许多方面功能一致性的关键机制,并揭示由于各种脑部疾病导致的偏差。 对于由八个脑枢纽及其附加的高阶结构组成的脑连接组核心网络,先前在网络节点上对Kuramoto相位振荡器的模拟表明,在正耦合强度范围内全局序参数不稳定。 在本工作中,我们研究了全局相位序参数的多尺度振荡,并表明它们与该耦合范围内的集群同步过程有关,该范围低于主稳定性阈值。 我们使用谱图分析和特征向量定位方法,其中在同步过程中扮演相似角色的节点簇在特征向量空间中具有较小的相互距离。 我们确定了三个显著的脑区簇,并展示了枢纽在这些簇中的位置。 通过并行分析加权核心网络及其二进制版本,我们证明了网络拓扑在同步簇形成中的主要作用。 同时,边的权重有助于枢纽与周围簇的同步,稳定序参数的变化并减少多分形谱。
摘要: Brain imaging data mapping onto human connectome networks enables the investigation of global brain dynamics, where the brain hubs play an essential role in transferring activity between different brain parts. At this scale, the synchronisation processes are increasingly investigated as one of the key mechanisms revealing many aspects of brain functional coherence in healthy brains and revealing deviations due to various brain disorders. For the human connectome core network, consisting of the eight brain hubs and the higher-order structure attached to them, previous simulations of Kuramoto phase oscillators at network nodes indicate instability of the global order parameter for a range of positive coupling strengths. In this work, we investigate the multiscale oscillations of the global phase order parameter and show that they are connected with the cluster synchronisation processes occurring in this range of couplings below the master stability threshold. We use the spectral graph analysis and eigenvector localisation methodology, where the clusters of nodes playing a similar role in the synchronisation processes have a small mutual distance in the eigenvector space. We determine three significant clusters of brain regions and show the position of hubs in them. With the parallel analysis of the weighted core network and its binary version, we demonstrate the primary role of the network's topology in the formation of synchronised clusters. Meanwhile, the wights of edges contribute to the hub's synchronisation with the surrounding cluster, stabilise the order parameter variations and reduce the multifractal spectrum.
评论: 10页 7图
主题: 模式形成与孤子 (nlin.PS) ; 定量方法 (q-bio.QM)
引用方式: arXiv:2507.07583 [nlin.PS]
  (或者 arXiv:2507.07583v1 [nlin.PS] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.07583
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Bosiljka Tadic [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 10 日 09:38:17 UTC (2,238 KB)
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