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Title: Pearson matrices as density operators: a test of the entropic brain hypothesis using the von Neumann entropy
Authors: Felippe Junior, Helcio
Advisor: Mohan, Madras Viswanathan Gandhi
Keywords: Física;Entropia;Correlação;Cérebro;Psicodélicos
Issue Date: 30-Jul-2021
Publisher: Universidade Federal do Rio Grande do Norte
Citation: FELIPPE JUNIOR, Helcio. Pearson matrices as density operators: a test of the entropic brain hypothesis using the von Neumann entropy. 2021. 55f. Dissertação (Mestrado em Física) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.
Portuguese Abstract: A hipótese do cérebro entrópico afirma que importantes parâmetros funcionais devem exibir aumento de entropia durante estados cerebrais induzidos por psicodélicos. Essa hipótese ganhou considerável suporte ao longo dos últimos anos, particularmente via aplicação de limiar em matrizes de correlação de Pearson de redes de conectividade funcional. Entretanto, o procedimento de aplicação de limiar tem suas desvantagens, principalmente sua arbitrariedade na seleção do valor limiar. Neste trabalho, propomos um método de estimativa de entropia completamente objetivo e independente de limiar. Seja R uma matriz de correlação de Pearson genérica N ×N. Definimos ρ = R/N e provamos que ρ satisfaz as condições necessárias para um operador densidade. Portanto, a entropia de von Neumann S = − tr(ρ ln ρ) pode ser diretamente calculada a partir da matriz de Pearson. Em seguida, calculamos a entropia de correlações funcionais do cérebro humano. Consistente com a hipótese do cérebro entrópico, encontramos que a entropia aumenta durante os efeitos agudos da bebida psicodélica indígena amazônica ayahuasca.
Abstract: The entropic brain hypothesis states that key functional parameters should exhibit increased entropy during psychedelic-induced altered brain states. This hypothesis has gained significant support over the years, particularly via thresholding Pearson correlation matrices of functional connectivity networks. However, the thresholding procedure is known to have drawbacks, mainly its arbitrariness in the threshold value selection. In this work, we propose an entirely objective, threshold-independent method of entropy estimation. Let R be a generic N ×N Pearson correlation matrix. We define ρ = R/N and prove that ρ satisfies the necessary conditions for a density operator. Therefore, the von Neumann entropy S = − tr(ρ ln ρ) can be directly calculated from the Pearson matrix. We then calculate the entropy of functional correlations of the human brain. Consistent with the entropic brain hypothesis, we find that entropy increases during the acute effects of the psychedelic Amazonian indigenous beverage ayahuasca.
URI: https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/43685
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