Dynamics of the brain: Mathematical models and non-invasive experimental studies

European Physical Journal: Special Topics

Volumn 222, Issue 10, 2013, Pages 2607-2622

  Toronov, V ^a   Myllyla T ^b   Kiviniemi, V ^c   Tuchin, V V ^b,d,e  

^a RYERSON UNIVERSITY   (Canada)

^b UNIVERSITY OF OULU   (Finland)

^c OULU UNIVERSITY HOSPITAL   (Finland)

^d SARATOV STATE UNIVERSITY   (Russian Federation)

^e INSTITUTE OF PRECISION MECHANICS AND CONTROL   (Russian Federation)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

EID: 84886002451     PISSN: 19516355     EISSN: 19516401     Source Type: Journal    
DOI: 10.1140/epjst/e2013-02041-8     Document Type: Review

References (100)

1. V. K. Jirsa, H. Haken, Physical Rev. Lett. 77, 960 (1996).
2. V. Jirsa, H. Haken, Physica D: Nonlinear Phenomena 99, 503 (1997).
3. F. L. Da Silva, W. Blanes, S. N. Kalitzin, J. Parra, P. Suffczynski, D. N. Velis, Epilepsia 44, 72 (2003).
4. M. Breakspear, J. Roberts, J. R. Terry, S. Rodrigues, N. Mahant, P. Robinson, Cerebral Cortex 16, 1296 (2006).
5. S. Coombes, N. Venkov, L. Shiau, I. Bojak, D. T. Liley, C. R. Laing, Phys. Rev. E 76, 051901 (2007).
6. V. Anishchenko, D. Postnov, in Proc. SPIE Optical methods in diagnostic and therapy, edited by Tuchin, Vol. 1981 (SPIE International Society for Optical Engineering, 1993), p. 130.
7. J. T. Gale, R. Amirnovin, Z. M. Williams, A. W. Flaherty, E. N. Eskandar, Neurosc. Biobehavi. Rev. 32, 378 (2008).
8. T. P. Hauptmann, C. Popovych, O. Expert Rev. Med. Devices 4, 633 (2007).
9. R. Kennett, J. Neurol. 259, 783 (2012).
10. R. Hari, R. Salmelin, NeuroImage 61, 386 (2012).
11. M. Wolf, G. Morren, D. Haensse, T. Karen, U. Wolf, J. Fauchere, H. Bucher, Opto-Electronics Rev. 16, 413 (2008).
12. M. Wolf, M. Ferrari, V. Quaresima, J. Biomed. Opt. 12, 062104 (2007).
13. V. V. Tuchin, Handbook of Optical Biomedical Diagnostics (SPIE press PM107 Bellingham WA, 2002).
14. V. V. Tuchin, Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis, 2nd edn., PM 166 (SPIE press Bellingham, WA, 2007).
15. B. Biswal, F. Zerrin Yetkin, V. M. Haughton, J. S. Hyde, Magnetic Resonance Med. 34, 537 (1995).
16. B. B. Biswal, M. Mennes, X. N. Zuo, S. Gohel, C. Kelly, S. M. Smith, C. F. Beckmann, J. S. Adelstein, R. L. Buckner, S. Colcombe, et al., Proc. National Acad. Sci. 107, 4734 (2010).
17. H. Markram, Nat. Rev. Neurosci. 7, 153 (2006).
18. H. Haken, Brain Dynamics: An Introduction to Models and Simulations (Springer, 2008).
19. K. J. Friston, L. Harrison, W. Penny, et al., NeuroImage 19, 1273 (2003).
20. P. A. Valdes-Sosa, J. M. Sanchez-Bornot, R. C. Sotero, Y. Iturria-Medina, Y. Aleman-Gomez, J. Bosch-Bayard, F. Carbonell, T. Ozaki, Human Brain Mapping 30, 2701 (2009).
21. H. R. Wilson, J. D. Cowan, Biophys. J. 12, 1 (1972).
22. J. Kelso, S. Bressler, S. Buchanan, G. DeGuzman, M. Ding, A. Fuchs, T. Holroyd, Phys. Lett. A 169, 134 (1992).
23. O. David, K. J. Friston, et al., NeuroImage 20, 1743 (2003).
24. K. J. Friston, J. T. Ashburner, S. J. Kiebel, T. E. Nichols, W. D. Penny, Statistical Parametric Mapping: The Analysis of Functional Brain Images: The Analysis of Functional Brain Images (Academic Press, 2011).
25. O. David, S. J. Kiebel, L. M. Harrison, J. Mattout, J. M. Kilner, K. J. Friston, et al., NeuroImage 30, 1255 (2006).
26. O. David, J. M. Kilner, K. J. Friston, et al., NeuroImage 31, 1580 (2006).
27. R. Moran, S. Kiebel, K. Stephan, R. Reilly, J. Daunizeau, K. Friston, NeuroImage 37, 706 (2007).
28. L. E. Clarke, B. A. Barres, Nat. Rev. Neurosci. 14, 311 (2013).
29. S. G. Tewari, K. K. Majumdar, J. Biol. Phys. 38, 465 (2012).
30. K. Linkenkaer-Hansen, V. V. Nikulin, J. M. Palva, K. Kaila, R. J. Ilmoniemi, Euro. J. Neurosci. 19, 203 (2004).
31. J. M. Beggs, D. Plenz, J. Neurosci. 23, 11167 (2003).
32. B. J. He, J. M. Zempel, A. Z. Snyder, M. E. Raichle, Neuron 66, 353 (2010).
33. D. Millman, S. Mihalas, A. Kirkwood, E. Niebur, Nat. Phys. 6, 801 (2010).
34. M. Rubinov, O. Sporns, J. P. Thivierge, M. Breakspear, PLoS Comput. Biol. 7, e1002038 (2011).
35. S. S. Poil, R. Hardstone, H. D. Mansvelder, K. Linkenkaer-Hansen, J. Neurosci. 32, 9817 (2012).
36. H. Markram, HFSP 2, 132 (2008).
37. R. B. Buxton, E. C. Wong, L. R. Frank, Magnetic Res. Med. 39, 855 (1998).
38. E. M. Izhikevich, G. M. Edelman, Proc. Nat. Acad. Sci. 105, 3593 (2008).
39. J. J. Riera, A. Schousboe, H. S. Waagepetersen, C. Howarth, F. Hyder, NeuroImage 40, 1436 (2008).
40. R. I. Goldman, J. M. Stern, J. Engel Jr., M. S. Cohen, Neuroreport 13, 2487 (2002).
41. E. Marti{dotless}nez-Montes, P. A. Valdés-Sosa, F. Miwakeichi, R. I. Goldman, M. S. Cohen, NeuroImage 22, 1023 (2004).
42. H. Laufs, Human Brain Mapping 29, 762 (2008).
43. S. Fantini, NeuroImage (in press) (2013).
44. S. Lloyd-Fox, A. Blasi, C. Elwell, Neurosc. Biobehavi. Rev. 34, 269 (2010).
45. M. Ferrari, V. Quaresima, NeuroImage 63, 921 (2012).
46. M. Reinhard, E. Wehrle-Wieland, D. Grabiak, M. Roth, B. Guschlbauer, J. Timmer, C. Weiller, A. Hetzel, J. Neurological Sci. 250, 103 (2006).
47. A. Rowley, S. Payne, I. Tachtsidis, M. Ebden, J. Whiteley, D. Gavaghan, L. Tarassenko, M. Smith, C. Elwell, D. Delpy, Physiol. Meas. 28, 161 (2007).
48. R. L. Hughson, M. R. Edwards, D. D. OLeary, J. K. Shoemaker, Stroke 32, 2403 (2001).
49. J. A. Claassen, B. D. Levine, R. Zhang, J. Appl. Physiol. 106, 153 (2009).
50. R. Aaslid, M. Blaha, G. Sviri, C. M. Douville, D. W. Newell, Stroke 38, 1465 (2007).
51. T. Deneux, O. Faugeras, NeuroImage 32, 1669 (2006).
52. G. Mitsis, R. Zhang, B. Levine, V. Marmarelis, Annals Biomed. Eng. 30, 555 (2002).
53. M. Latka, M. Turalska, M. Glaubic-Latka, W. Kolodziej, D. Latka, B. J. West, Amer. J. Physiol.-Heart Circu. Physiol. 289, H2272 (2005).
54. T. Peng, A. B. Rowley, P. N. Ainslie, M. J. Poulin, S. J. Payne, Biomed. Eng., IEEE Trans. 57, 960 (2010).
55. R. C. Sotero, N. J. Trujillo-Barreto, NeuroImage 35, 149 (2007).
56. T. Takano, G. F. Tian, W. Peng, N. Lou, W. Libionka, X. Han, M. Nedergaard, Nat. Neurosci. 9, 260 (2005).
57. D. J. Rossi, Nature Neurosci. 9, 159 (2006).
58. A. Kleinschmidt, H. Obrig, M. Requardt, K. D. Merboldt, U. Dirnagl, A. Villringer, J. Frahm, J. Cerebral Blood Flow Metabolism 16, 817 (1996).
59. V. Toronov, A. Webb, J. H. Choi, M. Wolf, A. Michalos, E. Gratton, D. Hueber, Medical Phys. 28, 521 (2001).
60. V. Toronov, A. Webb, J. H. Choi, M. Wolf, L. Safonova, U. Wolf, E. Gratton, Opt. Express 9, 417 (2001).
61. T. Huppert, R. Hoge, S. Diamond, M. A. Franceschini, D. A. Boas, NeuroImage 29, 368 (2006).
62. V. Toronov, S. Walker, R. Gupta, J. H. Choi, E. Gratton, D. Hueber, A. Webb, et al., NeuroImage 19, 1521 (2003).
63. V. Y. Toronov, X. Zhang, A. G. Webb, NeuroImage 34, 1136 (2007).
64. M. L. Pierro, B. Hallacoglu, A. Sassaroli, J. M. Kainerstorfer, S. Fantini, NeuroImage (in press) (2013).
65. V. Toronov, M. A. Franceschini, M. Filiaci, S. Fantini, M. Wolf, A. Michalos, E. Gratton, Medical Phys. 27, 801 (2000).
66. U. Wolf, V. Toronov, J. H. Choi, R. Gupta, A. Michalos, E. Gratton, M. Wolf, J. Biomed. Opt. 16, 087013 (2011).
67. I. Schelkanova, V. Toronov, Biomed. Optics Express 3, 64 (2012).
68. H. Abarbanel, Analysis of Observed Chaotic Data (Springer-Verlag, 1996).
69. C. Sparrow, The Lorenz equations: bifurcations, chaos, and strange attractors, Vol. 41 (Springer-Verlag, New York, 1982).
70. M. D. Papademetriou, I. Tachtsidis, M. J. Elliot, A. Hoskote, C. E. Elwell, J. Biomed. Opt. 17, 0670081 (2012).
71. T. S. Myllylä, A. A. Elseoud, H. S. Sorvoja, R. A. Myllylä, J. M. Harja, J. Nikkinen, O. Tervonen, V. Kiviniemi, J. Biophotonics 4, 98 (2011).
72. M. Jenkinson, C. F. Beckmann, T. E. Behrens, M. W. Woolrich, S. M. Smith, NeuroImage 62, 782 (2012).
73. M. Jenkinson, P. Bannister, M. Brady, S. Smith, et al., NeuroImage 17, 825 (2002).
74. S. M. Smith, Human Brain Mapping 17, 143 (2002).
75. J. C. Mazziotta, A. W. Toga, A. Evans, P. Fox, J. Lancaster, et al., NeuroImage 2, 89 (1995).
76. R. W. Cox, et al., Comput. Biomed. Res. 29, 162 (1996).
77. Q. Jiao, G. Lu, Z. Zhang, Y. Zhong, Z. Wang, Y. Guo, K. Li, M. Ding, Y. Liu, Human Brain Mapping 32, 154 (2011).
78. M. van den Heuvel, R. Mandl, J. Luigjes, H. H. Pol, J. Neurosci. 28, 10844 (2008).
79. H. L. Lee, B. Zahneisen, T. Hugger, P. LeVan, J. Hennig, NeuroImage (2012).
80. J. Assländer, B. Zahneisen, T. Hugger, M. Reisert, H. L. Lee, P. LeVan, J. Hennig, NeuroImage (2013).
81. B. Zahneisen, T. Hugger, K. J. Lee, P. LeVan, M. Reisert, H. L. Lee, J. Assländer, M. Zaitsev, J. Hennig, Magnetic Res. Med. 68, 484 (2012).
82. H. Sorvoja, T. Myllylä, M. Y. Kirillin, E. A. Sergeeva, R. A. Myllylä, A. Elseoud, J. Nikkinen, O. Tervonen, V. Kiviniemi, Quantum Electronics 40, 1067 (2010).
83. A. V. Gorshkov, M. Y. Kirillin, J. Comput. Sci. 3, 498 (2012).
84. K. Kurihara, H. Kawaguchi, T. Obata, H. Ito, K. Sakatani, E. Okada, Biomed. Optics Express 3, 2121 (2012).
85. V. Parpura, G. A. Silva, P. A. Tass, K. E. Bennet, M. Meyyappan, J. Koehne, K. H. Lee, R. J. Andrews, J. Neurochem. 124, 436 (2013).
86. G. Gratton, P. Corballis, E. Cho, M. Fabiani, D. Hood, Psychophysiology 32, 505 (1995).
87. M. Wolf, U. Wolf, J. H. Choi, V. Toronov, L. Adelina Paunescu, A. Michalos, E. Gratton, Psychophysiology 40, 521 (2003).
88. G. Morren, M. Wolf, P. Lemmerling, U. Wolf, J. H. Choi, E. Gratton, L. De Lathauwer, S. van Huffel, Med. Biological Eng. Comput. 42, 92 (2004).
89. M. A. Franceschini, D. A. Boas, et al., NeuroImage 21, 372 (2004).
90. A. V. Medvedev, J. Kainerstorfer, S. V. Borisov, R. L. Barbour, J. VanMeter, Brain Res. 1236, 145 (2008).
91. G. Yu, T. Durduran, C. Zhou, R. Cheng, A. Yodh, Near-infrared diffuse correlation spectroscopy for assessment of issue blood flow, in Handbook of Biomedical Optics, edited by Boas, D. A., Pitris, C., Ramanujam, N. (CRC Press: Boca Raton, 2011), p. 195.
92. Y. Zhao, X. Liu, W. Zhou, S. Zeng, Appl. Phys. Lett. 97, 063703 (2010).
93. P. A. Lapchak, L. De Taboada, Brain Res. 1306, 100 (2010).
94. P. A. Lapchak, Annals Med. 42, 576 (2010).
95. V. Kiviniemi, Human Brain Mapping 29, 810 (2008).
96. B. A. Vern, B. J. Leheta, V. C. Juel, J. LaGuardia, P. Graupe, W. H. Schuette, Brain Res. 775, 233 (1997).
97. Y. Tong, et al., NeuroImage 53, 553 (2010).
98. Y. Tong, L. M. Hocke, L. D. Nickerson, S. C. Licata, K. P. Lindsey, et al., NeuroImage (2013).
99. T. E. Lund, Magnetic Res. Med. 46, 628 (2001).
100. K. J. Friston, in fMRI Techniques and Protocols (Springer, 2009), p. 237.