КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-72-10121

НазваниеФизические методы управления процессами сенсомоторной интеграции в головном мозге на базе транскраниальной магнитной стимуляции

РуководительКуркин Семен Андреевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта", Калининградская обл

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современные научные концепции подчеркивают ведущую роль интегративной динамики мозга в реализации его функций [Bassett and Sporns, Nature Neuroscience 2017]. Интегративные процессы, в свою очередь, реализуются за счет функционального взаимодействия в нейронных сетях мозга [Finn et al, Nature neuroscience 2015]. Практически любая когнитивная активность человека сопровождается формированием или реконфигурацией функциональных сетей в его головном мозге [Храмов А.Е., Фролов Н.С., Максименко В.А., Куркин С.А. и др., УФН, 2021], структура и размер которых определяется типом активности. При этом для относительно простых когнитивных заданий (например, воображение двигательных актов, визуальная обработка и принятие решений) обычно можно выявить характерную функциональную сеть, для чего необходим статистический анализ в группе испытуемых. Основной идеей проекта является развитие физико-математических методов управления характеристиками функциональных сетей в головном мозге человека, формирующихся в процессе сенсомоторной интеграции, которые, в частности, позволят корректировать структуру сети в соответствии с поставленной целью. Такая корректировка перспективна с точки зрения разработки подходов для ускорения обучения человека выполнению поставленной задачи (например, воображение движений для интерфейса мозг-компьютер) и/или повышения эффективности её решения (например, улучшения скорости реакции на визуальные стимулы). Фундаментальная значимость работ по развитию таких методов управления определяется возможностью понимания сложных механизмов функционирования головного мозга человека, включая процессы интеграции и сегрегации функциональных сетей мозга. Развиваемые в настоящем проекте методы управления характеристиками функциональных сетей будут основываться на современных достижениях в области неинвазивых способов воздействия на кору головного мозга. Для модуляции активности различных зон мозга будет использоваться транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), которая является безопасным и эффективным методом локального воздействия (активация или ингибирование) на кору головного мозга при помощи коротких магнитных импульсов. Восстановление функциональных сетей, формирующихся в головном мозге, будет проводиться на базе результатов электроэнцефалографических (ЭЭГ) исследований. Для этого ЭЭГ-сигналы будут регистрироваться в процессе решения человеком поставленных задач, после чего к ним будут применяться современные методы анализа больших данных, включая алгоритмы собственной разработки. Будет решаться обратная задача, что позволит по сигналам ЭЭГ восстанавливать источники нейронной активности в мозге. Затем с использованием различных мер будут рассчитываться силы связей между ними, что даст информацию о характеристиках и топологии формирующейся функциональной сети, в том числе с применением методов теории сетей. Будут выявлены физические механизмы, описывающие связь между эффективностью обработки сенсорной информации или воображения движений и формированием соответствующих функциональных нейронных сетей. На их основе будут запланированы эксперименты по транскраниальной магнитной стимуляции мозга с целью ускорения формирования выявленных функциональных сетей для повышения эффективности сенсорных и моторных функций. Важным этапом исследования станет разработка методов воздействия на формирующуюся функциональную сеть головного мозга с использованием методов модуляции активности мозга с помощью ритмической ТМС. Анализ современной научной литературы показывает, что до сих пор не существует эффективных методов управления характеристиками функциональных сетей в головном мозге человека, позволяющих реконфигурировать их в выбранном направлении. Развитие подобных методов является сложной и актуальной междисциплинарной научной задачей, лежащей на стыке нейронауки, нелинейной динамики и теории сложных сетей. Основной проблемой здесь является то, что головной мозг характеризуется чрезвычайной сложностью протекающих в нём процессов. В частности, функциональные сети в мозге динамически перестраиваются, и часто не очевидно, как повлияет внешнее воздействие (например, ТМС) на структуру формирующейся сети. В случае применения ТМС важно понимать, какую зону мозга нужно стимулировать, как долго, с какой интенсивностью, частотой и формой (активирующее или ингибирующее воздействие), чтобы сформировать в головном мозге функциональную сеть с требующимися характеристиками. Решению обозначенных проблем посвящен настоящий проект. Запланированные в проекте исследования будут проводиться по двум основным направлениям, соответствующим двум принципиально различным и важным типам когнитивной активности: 1) разработка физико-математических методов исследования формирующихся в головном мозге функциональных сетей и развитие подходов управления ими при решении человеком когнитивной задачи, связанной с воображаемой двигательной активностью. Работы в рамках данного направления актуальны для развития интерфейсов мозг-компьютер (ИМК) моторно-воображаемого типа, в частности, для повышения эффективности реабилитационных процедур на базе ИМК. 2) Развитие методов управления формирующимися функциональными сетями при обработке мозгом человека неоднозначных визуальных стимулов и принятии им решения на основании полученной сенсорной информации. Актуальность данного направления обусловлена важностью продвижения на пути понимания механизмов рутинной обработки человеком визуальных стимулов и разработки подходов для повышения уровня внимания и скорости реакции при решении человеком подобных задач (например, оператором сложных установок, авиадиспетчером, пилотом и т.д.). Таким образом, новизна проекта определяется использованием принципиально новых экспериментальных парадигм, разработанных коллективом проекта на основе полученных ранее результатов и с учетом результатов, опубликованных другими научными группами, а также объединением методов теории сетей, нелинейной динамики и интеллектуального анализа больших данных с нейрофизиологическими экспериментами и подходами ТМС, с целью разработки методов управления характеристиками формирующихся функциональных сетей в процессе решения человеком когнитивных задач.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут выявлены физические механизмы, описывающие связь между эффективностью обработки сенсорной информации или воображения движений и формированием соответствующих функциональных нейронных сетей. На их основе будут проведены эксперименты по транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) с целью ускорения формирования выявленных функциональных сетей для повышения эффективности сенсомоторной интеграции в головном мозге человека. Будет подтверждена эффективность ТМС, и сформулированы протоколы её использования для улучшения обработки визуальной информации и принятия на её основе решений, а также воображения движений у человека. Конкретными результатами проекта будут являться: 1) оригинальная база экспериментальных данных, содержащая сигналы активности головного мозга (ЭЭГ) и поведенческие характеристики испытуемых, зарегистрированные в процессе выполнения двух различных типов когнитивных заданий: (1) воображение движений и (2) восприятие неоднозначных визуальных стимулов (куб Неккера) и принятие решения о виде стимула (ориентации куба) на основании полученной сенсорной информации. Особенностью базы будет то, что она будет содержать данные, зарегистрированные до и после сессии транскраниальной магнитной стимуляции, что позволит оценивать влияние ТМС на когнитивные процессы и формирующиеся в головном мозге функциональные сети. База экспериментальных данных будет дополнена документами, содержащими протоколы проведения экспериментов, и размещена в открытом доступе. Сформированная уникальная база данных будет обладать самостоятельной ценностью как с точки зрения воспроизводимости полученных в проекте результатов, так и возможности использования полученных экспериментальных данных другими исследователями для дальнейшего развития соответствующих областей науки. 2) Будут выявлены основные закономерности управления с помощью ритмической ТМС функциональной сетью, формирующейся в процессе решения когнитивной задачи. Прежде всего, данный ожидаемый результат будет представлять важность в контексте фундаментальных исследований механизмов работы головного мозга человека [Fries P. Rhythms for cognition: communication through coherence // Neuron 88 (2015) 220], поскольку перестройка функциональных связей между отделами мозга под влиянием ТМС позволит лучше понять его работу [Ilmoniemi R. J., Kičić D. Methodology for combined TMS and EEG // Brain topography. – 2010. – Т. 22. – №. 4]. Более того, запланированный результат важен с точки зрения возможности его практического применения в области разработки и использования интерфейсов мозг-компьютер, развития подходов для ускорения обучения человека выполнению поставленной когнитивной задачи (в том числе, при работе с ИМК), повышения качества и эффективности её решения и т.п. [Choi I. et al. A systematic review of hybrid brain-computer interfaces: Taxonomy and usability perspectives // PloS one. – 2017. – Т. 12. – №. 4]. 3) Будут разработаны физико-математические методы выявления закономерностей взаимосвязей между формирующимися в головном мозге функциональными сетями и эффективностью выполнения поставленной когнитивной задачи. Полученные фундаментальные результаты будут являться дополнением и расширением существующих знаний о функционировании распределенной сети коры головного мозга во время когнитивной деятельности [N. Duc et al // Journal of Neural Engineering, 2019; Храмов А.Е., Фролов Н.С., Максименко В.А., Куркин С.А. и др. Функциональные сети головного мозга: от восстановления связей до динамической интеграции, УФН, 2021], а также о влиянии внешнего воздействия в виде ТМС на формирование функциональной сети в мозге, на процессы интеграции и сегрегации. 4) Будет развит и апробирован подход к управлению функциональной сетью, основанный на ритмической стимуляции (ТМС) перед сессией воображаемых движений отделов головного мозга, соответствующих определенным узлам характерной для данного типа активности функциональной сети, и приводящий за счет перестройки данной сети к повышению скорости и корректности формирования паттерна активности в головном мозге, соответствующего воображению движений. Помимо очевидной фундаментальной значимости, данный ожидаемый результат обладает перспективами с точки зрения возможности его практического применения. Увеличение скорости обучения работы с ИМК, скорости и точности формирования команды (паттерна мозговой активности) на основании развиваемых в настоящем проекте методов позволит использовать ИМК моторно-воображаемого типа в практических приложениях более широко и эффективно, в частности, для повышения успешности реабилитационных процедур. Ритмическая ТМС (вид стимуляции, при которой генерируется серия магнитных импульсов с частотой от 1 до 100 Гц) хорошо известный подход к физиотерапевтической активации моторных областей коры у пациентов после инсульта [Lüdemann-Podubecká J., Bösl K., Nowak D. A. Repetitive transcranial magnetic stimulation for motor recovery of the upper limb after stroke // Progress in brain research. – 2015. – Т. 218]. Особенно перспективным для реабилитации постинсультных пациентов является включение ритмической ТМС согласно намерению пациента к совершению двигательного акта, например, с использованием ИМК моторно-воображаемого типа [Каплан А. Я. Нейрофизиологические основания и практические реализации технологии мозг-машинных интерфейсов в неврологической реабилитации // Физиология человека. – 2016. – Т. 42. – №. 1]. При решении данной проблемы принципиально важным является понимание влияния ТМС на формирующиеся в головном мозге функциональные связи, обусловленные подготовкой к двигательному акту и его выполнением. В данном случае можно максимально эффективно задействовать свойство нейропластичности головного мозга для восстановления утраченных моторных функций [Dimyan M. A., Cohen L. G. Neuroplasticity in the context of motor rehabilitation after stroke // Nature Reviews Neurology. – 2011. – Т. 7. – №. 2]. Представляется, что использование разработанных методов на основе ТМС совместно с ИМК позволит в перспективе создать нейротренажеры нового поколения, которые позволят быстрее и эффективнее проводить мероприятия по восстановлению двигательных функций у постинсультных пациентов и пожилых людей [Cervera M. A. et al. Brain‐computer interfaces for post‐stroke motor rehabilitation: a meta‐analysis // Annals of clinical and translational neurology. – 2018. – Т. 5. – №. 5]. 5) Будет развит и апробирован подход к управлению функциональной сетью, основанный на ритмической стимуляции (ТМС) перед демонстрацией неоднозначных стимулов отделов головного мозга, соответствующих определенным узлам характерной для данного типа активности функциональной сети, и приводящий за счет перестройки данной сети к повышению скорости реакции и уровня внимания при восприятии и классификации человеком неоднозначных визуальных стимулов. Актуальность данного ожидаемого результата обусловлена, в первую очередь, необходимостью изучения механизмов принятия решений человеком на основе недостаточной визуальной информации (в предполагаемом исследовании в качестве визуальных стимулов планируется использовать неоднозначные визуальные стимулы) [Maksimenko V., Kuc A., Frolov N., Kurkin S., Hramov A. Effect of repetition on the behavioral and neuronal responses to ambiguous Necker cube. Scientific Reports. 11, (2021) 3454] и разработки подходов для повышения уровня внимания и скорости реакции при решении человеком подобных задач. Последнее может быть достигнуто за счет применения ТМС в процессе тренировки испытуемого в соответствии с развитыми в проекте методами. Таким образом, разрабатываемые в проекте методы управления формирующимися в головном мозге функциональными сетями могут в перспективе найти применение для тренировки операторов критически важных объектов, разработки эффективных интерфейсов мозг-компьютер для реабилитации, а также ИМК, позволяющих в реальном времени осуществлять мониторинг и управление когнитивной активностью человека. Известно, что разработка таких систем является активно развивающимся направлением современной науки и высоких технологий [P. Arico, et al. // Physiological measurement, 2018]. Согласно существующим теоретическим и экспериментальным результатам ИМК имеют большой потенциал практического применения в различных областях медицины и социальной сферы. Например, для целей нейрореабилитации [N. Tang et al // Annals of Physical and Rehabilitation Medicine, 2018], нейрокоммуникации [C. Grau // PLoS One, 2014], образовательного процесса [Ko, Li-Wei, et al. // Frontiers in human neuroscience, 2017], мониторинга состояния человека при выполнении профессиональных обязанностей в условиях с риском для жизни [Di Flumeri et al. // Neuroergonomics. Academic Press, 2019; P. Aricò et al. // Frontiers in human neuroscience, 2016] и т.д. Ещё одним важным результатом здесь будет являться оценка эффективности влияния ТМС на генерацию паттернов двигательной активности для использования в целях реабилитационной медицины постинсультных пациентов и пожилых людей при моторном и сенсорном дефиците. Следует отметить, что тематика проекта лежит в русле наиболее актуальных направлений современной науки, при этом научный коллектив проекта имеет обширный научный задел в областях разработки методов обработки нейрофизиологических данных, анализа нейрофизиологических маркеров когнитивных процессов [P. Chholak, S. Kurkin, et al. // Applied Sciences, 2021] и личностных особенностей [V. Maksimenko, A. Runnova, M. Zhuravlev M, et al // PLoS One, 2018], разработки интерфейсов мозг-компьютер [V. Maksimenko, A. Hramov, N. Frolov et al // Front. Neurosci, 2018], изучения интегративных процессов в мозге при обработке сенсорной информации [Maksimenko V., Kuc A., Frolov N., Kurkin S., Hramov A. // Scientific Reports, 2021; Maksimenko, Frolov, Hramov et. al. Frontiers in Behavioral Neuroscience, 2019], выполнении когнитивных [Pisarchik, Maksimenko, Andreev et al, Scientific Reports, 2019] и моторных функций [Frolov, Pitsik, Maksimenko, Grubov et al PLoS ONE 2020; Chholak P., Niso G., Maksimenko V., Kurkin S., et al. // Scientific Reports, 2019], а также возникновении эпилептических приступов [Maksimenko V.A., Phys. Rev. E. 96, 2017]. С учетом вышесказанного можно утверждать, что полученные в проекте результаты будут в полной мере соответствовать мировому уровню исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ