КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта", Калининградская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2024 

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-402 - Нелинейные колебания и волны

Ключевые словаГоловной мозг, сенсомоторная интеграция, электроэнцефалография, функциональные сети, методы управления, транскраниальная магнитная стимуляция, когнитивные процессы, интерфейс мозг-компьютер, воображаемые движения, визуальный стимул, визуальная обработка, восстановление источников

Код ГРНТИ29.35.03

 

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

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Была разработана оригинальная парадигма экспериментальных исследований по регистрации нейронной активности с применением электроэнцефалографии (ЭЭГ) в процессе выполнения воображаемых движений конечностями, позволяющая также изучать влияние транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС). Проведены эксперименты с группой добровольцев в соответствии с разработанной парадигмой, в которых приняли участие 50 человек. Парадигма включает в себя несколько отдельных экспериментальных сессий с различными экспериментальными условиями. Целью проведения первой сессии является сбор данных для анализа активности головного мозга и формирующихся функциональных сетей (ФС) при совершении воображаемого движения. В задачи второй сессии входит транскраниальная магнитная стимуляция выбранных областей головного мозга и фиксация результатов воображения движений после проведенной стимуляции. Третья сессия предназначена для проверки эффекта ТМС путем реализации в ней плацебо-стимуляции. На основании знаний о характерной динамике ритмов в мозге при выполнении заданий по воображению движений были выбраны интервалы интереса по времени и частотные диапазоны, в которых проводился дальнейший анализ на уровне источников и ФС. Рассматривались тета, мю и бета диапазоны частот. Были выбраны следующие интервалы интереса по времени: интервал паузы между последовательными выполнениями движений (Base, 0.5–4.5 с, время указывается относительно одного триала, момент 5 с – команда на выполнение движения); первые 0.5 с после команды (Post1, 5–5.5 с); 2-секундный интервал во время воображения движений (Post2, 6-8 с). Результаты статистического анализа на уровне сенсоров (ЭЭГ каналов) в объединенной группе испытуемых подтвердили корректность выбора временных интервалов интереса и частотных диапазонов. Анализ на уровне источников нейронной активности при воображении движений выявил повышение тета-активности в Post1 во многих зонах головного мозга, включая область Precuneus_R, что свидетельствует о деактивации сети пассивного режима работы мозга, связанной с обработкой команды и подготовкой к исполнению воображаемого движения, которая, в свою очередь, приводит к активации центральной исполнительной сети. В верхнем альфа-диапазоне и бета-диапазоне в Post2 выявлено понижение активности (десинхронизация) в левой части префронтальной коры, моторной коре и отделах левой височной доли, что свидетельствует об успешном воображении движений. Примечательно, что в данную когнитивную активность вовлекается не только моторная кора, но и отделы лобной извилины, что особенно хорошо заметно по активности в альфа-диапазоне. Средняя лобная извилина с функциональной точки зрения составляет так называемый дорсолатеральный префронтальный кортекс (dlPFC). Известно, что моторное воображение (МВ) задействует dlPFC с левой стороны, чего не происходит при наблюдении за движениями и совершении реального движения. DLPFC является важным хабом центральной исполнительной сети и участвует в исполнительных функциях, связанных с подготовкой к действию, которые, как полагают, имеют схожие нейронные субстраты с МВ. Более того, dlPFC играет роль в торможении движения, предотвращая реальное движение во время МВ. Проведен анализ сетевых и топологических свойств функциональных связей в кортикальных сетях головного мозга, восстановленных в пространстве источников, характерных для выполнения воображаемых движений. С помощью статистического NBS теста во временном интервале Post1 в тета-диапазоне выявлена большая ФС, охватывающая многие отделы головного мозга, в которой силы связей между её узлами значимо увеличиваются, по сравнению с базовым интервалом Base. Данная сеть отражает развитие процесса сенсомоторной интеграции в первые 0.5 с после команды. Структура данной сети свидетельствует об активации центральной исполнительной сети и визуальной коры при одновременной деактивации сети пассивного режима работы мозга. Данным переключением управляет вентральная сеть внимания. Статистическое сравнение Post2>Base в альфа- и бета-диапазонах также выявило ФС, связи в которых значимо возрастают. Сеть в альфа-диапазоне отражает активность центральной исполнительной сети. Также в данных сетях участвуют области моторной и визуальной коры, что свидетельствует об их активации, обусловленной воображением движений, которой управляет центральная исполнительная сеть. В качестве метрики оценки эффективности воображения движения было выбрано среднее время отклика моторной области, для оценки которого была разработана оригинальная процедура. Этот выбор был сделан в связи с особенностями моторного воображения, так как в отличие от реальных движений, сам момент воображения невозможно зарегистрировать с помощью ЭМГ или других подобных устройств. Для каждого из испытуемых была проведена оценка среднего времени отклика моторной области для первой серии воображаемых движений. Среднее время по группе составило ~1.1 с. Проведенный корреляционный анализ выявил ФС в тета-, альфа- и бета-диапазонах, в которых изменение сил связей между интервалами Post-Base, связанное с выполнением воображаемого движения, значимо положительно коррелируют на уровне группы испытуемых со скоростью начала моторного воображения. Это, так называемые, «task-positive networks» (TPNs); они содержат хабы центральной исполнительной сети и вентральной сети внимания, а также элементы моторной коры. Также были выявлены сети, состоящие из связей, отрицательно коррелирующих со скоростью начала моторного воображения (так называемые, «task-negative networks»). Топологически и структурно данные сети близки к сети пассивного режима работы мозга. С применением корреляционного анализа выявлено, что в сетях TPN есть ряд узлов, изменение сетевых метрик (центральности узлов и коэффициентов кластеризации) которых связано со временем начала воображения движения. Преимущественно данные узлы располагаются во фронтальной коре, теменной и височной долях, при этом для метрики центральности для разных узлов выявлена как положительная, так и отрицательная корреляции; для коэффициента кластеризации корреляция отрицательная для всех значимых узлов. Чтобы уменьшить время начала выполнения воображаемых движений, необходимо либо повысить метрику узла (центральность или коэффициент кластеризации), характеризующуюся отрицательной корреляцией, либо понизить центральность узла с положительной корреляцией. Эффективным инструментом для этой цели является ТМС. Проведенный анализ характеристик TPN и полученные результаты по влиянию параметров стимуляции позволяют сформулировать основные принципы управления с помощью ТМС функциональной сетью с целью повышения эффективности (скорости) воображения движений. (1) Стимулировать необходимо ключевые узлы (хабы) TPN, которые демонстрируют значимую отрицательную корреляцию со временем; это позволит более эффективно активировать сеть и подготовить тем самым человека к выполнению поставленного когнитивного задания. (2) Частоту стимуляции нужно выбирать, лежащую в том диапазоне, сеть в котором требуется активировать. Если говорить о воображении движения, то необходимо подготовить человека к сенсомоторной интеграции, чтобы ускорить реакцию на стимул и запуск процесса воображения движения. Интеграция обеспечивается преимущественно тета-ритмом, поэтому эффективной будет частота ТМС, равная 5 Гц. В качестве области стимуляции перспективной представляется зона Frontal Mid L, поскольку она является важным хабом центральной исполнительной сети, а также, как было указано ранее, уникальной для воображаемых движений зоной (dlPFC). Проведено экспериментальное исследование влияния ТМС с выбранными параметрами для сравнения ФС, формирующихся до воздействия ТМС, с сетями после ТМС. Полученные результаты свидетельствуют об эффективном влиянии ТМС на активирующиеся в головном мозге ФС. На данный момент сделано предположение, что проведенная ТМС с выбранными параметрами приводит к более эффективной деактивации сети пассивного режима работы мозга.

 

Публикации

1. Куркин С.А., Храмов А.Е. Source-level analysis of age-related differences in the motor initiation phase Computational Biophysics and Nanobiophotonics, Proc. of SPIE 12194, 121940S (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2626930

2. Пицик Е.Н., Фролов Н.С., Шушарина Н., Храмов А.Е. Age-Related Changes in Functional Connectivity during the Sensorimotor Integration Detected by Artificial Neural Network Sensors, Т. 22, № 7, С. 2537 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/s22072537

3. Смирнов Н.М., Куркин С.А., Храмов А.Е. Specificities of ERD lateralization during motion execution Computational Biophysics and Nanobiophotonics, Proc. SPIE 12194, 121940R (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1117/12.2626745

4. Чепурова А., Храмов А.Е., Куркин С.А. Motor Imagery: How to Assess, Improve Its Performance, and Apply It for Psychosis Diagnostics, Т. 12, № 4, С. 949 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/diagnostics12040949

5. Смирнов Н.М., Куркин С.А. Quasi-movements as an intermediate type of motion 2021 5th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA), P. 190-193 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1109/DCNA53427.2021.9587026

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были выявлены основные принципы управления с помощью ритмической транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) функциональной сетью головного мозга с целью повышения скорости воображения движений: 1) стимулировать необходимо хабы сети целевой активности (task-positive network, TPN), чтобы более эффективно активировать её и подготовить тем самым человека к выполнению задачи по воображению движений. Одним из наиболее перспективных для стимуляции хабов сети TPN является средняя лобная извилина слева (Frontal Mid L). Как показали проведенные исследования, это обусловлено следующими причинами: - коэффициент кластеризации данной области демонстрирует значимую положительную корреляцию со скоростью начала моторного воображения; - Frontal Mid L является важным хабом центральной исполнительной сети (CEN); - Frontal Mid L включает уникальную для воображения движений зону – дорсолатеральную префронтальную кору слева (ДЛПФК) [Chepurova A., Hramov A., Kurkin S. // Diagnostics. – 2022. – Т. 12. – №. 4. – С. 949]; - данная область мозга является хорошо доступной для ТМС, а также она демонстрирует существенный отклик на воздействия. 2) Частоту стимуляции следует выбирать, лежащую в тета-диапазоне, поскольку необходимо подготовить человека к сенсомоторной интеграции, чтобы ускорить реакцию на стимул и запуск процесса воображения движения. Известно, что интеграция обеспечивается преимущественно тета-ритмом [Fries P. // Neuron, 88(1), 220, 2015], поэтому эффективной является частота ТМС, равная 5 Гц. Проведены эксперименты с ритмической ТМС с группой добровольцев в соответствии с разработанным оригинальным дизайном, основанным на сформулированных принципах, в которых приняли участие 30 человек. Целью было исследование обусловленных ТМС изменений в группе испытуемых при решении задачи воображения движений как с точки зрения анализа поведенческих характеристик, так и формирующихся паттернов активности в головном мозге. Был проведен систематический анализ полученных экспериментальных данных. Процедура анализа данных включала следующие этапы: (1) предварительная обработка данных ЭЭГ и разбиение на эпохи; (2) анализ на уровне сенсоров, включая вейвлет-анализ; (3) оценка времени начала моторного воображения в соответствии с оригинальной процедурой, предложенной на первом этапе выполнения проекта; (4) анализ на уровне источников нейронной активности в соответствии с процедурой, предложенной на первом этапе выполнения проекта; (5) анализ функциональных связей. Мы выявили, что стимуляция левой дорсолатеральной префронтальной коры (ДЛПФК) влияет на нейронную активность в правом предклинье (PrecuneusR) и приводит к статистически значимому увеличению мощности в тета-диапазоне на интервалах времени, предшествующих выполнению моторного воображения (МВ) [Kurkin S., et al. Transcranial Magnetic Stimulation of the Dorsolateral Prefrontal Cortex Increases Posterior Theta Rhythm and Reduces Latency of Motor Imagery. Sensors 2023, 23, 4661]. Основываясь на анализе функциональных связей, мы показали принципиально важную роль функционального взаимодействия между указанными областями. Мера фазовой синхронизации (PLV) показывает, что функциональная связь между левой ДЛПФК и PrecuneusR существует в состоянии покоя и увеличивается на интервале, предшествующем МВ (PLV > 0.95). В течение этих интервалов испытуемые фокусировали свое внимание на визуальных командах и готовились к выполнению МВ. Мы обнаружили негативную корреляцию между временем реакции мозга на МВ (MIBRT) и тета-мощностью в правом предклинье. Высокая мощность в тета-диапазоне соответствовала короткому времени между командой и формированием связанной с событием десинхронизации мю-ритма. На уровне группы испытуемых среднее время и его дисперсия уменьшились, но их изменение было статистически незначимым. Детальный анализ показал, что время уменьшалось, если тета-мощность увеличивалась более чем на 10%, и росло в противном случае. Таким образом, только 50% участников показали снижение времени задержки MIBRT. Одно из возможных объяснений данного эффекта заключается в том, что не все испытуемые получили достаточное воздействие с ТМС на целевую зону мозга. Во-первых, мы располагали катушку ТМС, используя среднюю модель головы, поэтому некоторые участники могли получить преактивацию ниже необходимого порога. Во-вторых, восприимчивость к ТМС может различаться у разных испытуемых, поэтому продолжительность стимуляции может быть недостаточной для некоторых из них. Корреляция между временем MIBRT и мощностью в тета-диапазоне в PrecuneusR может указывать на то, что предварительная активация предклинья облегчает обработку визуальной команды. Эта гипотеза подтверждается высокой тета-мощностью в задних областях мозга на интервале времени после команды, что, вероятно, отражает обработку стимула. Без ТМС мощность тета-ритма в задней части мозга падает на интервале, предшествующем визуальной команде, когда испытуемые отдыхают от предыдущего выполнения МВ и готовятся к следующему. ТМС уменьшает этот спад, обеспечивая высокую мощность тета-ритма на интервале до стимула. Мы предполагаем, что высокая мощность в тета-диапазоне до команды снижает потребность в его активации на отрезке времени после команды, следовательно, снижая временную задержку совершения МВ. Полученные результаты помогают пролить свет на нейронные взаимодействия, лежащие в основе МВ. Из литературы известно, что левый ДЛПФК является хабом фронто-париетальной центральной исполнительной сети (CEN), вовлеченной в исполнительные функции. Стимуляция ДЛПФК является эффективным модулятором как нейронной активности, так и общей когнитивной деятельности. Предклинье (Precuneus) принадлежит к сети пассивного режима работы мозга (DMN), которая является сетью ненаправленной активности и обеспечивает интроспекцию и социальное сознание. Обычно выполнение задачи требует деактивации DMN и активации CEN, что переключает внимание с внутренних мыслей и чувств на внешний мир и стимулы. Участвуя в различных функциональных сетях, левый ДЛПФК и PrecuneusR взаимодействуют, определяя многие когнитивные функции. Например, переключение между когнитивными задачами требует усиления положительной функциональной связи между левым ДЛПФК и билатеральным предклиньем. Таким образом, мы предполагаем, что связь между левым ДЛПФК и PrecuneusR обеспечивает динамическое взаимодействие между CEN и DMN в задаче МВ. Эти сети могут взаимодействовать следующим образом. ТМС направлена на левый ДЛПФК и активирует сеть CEN. Усиление связи между ДЛПФК и PrecuneusR во время интервала до команды деактивирует сеть DMN. Другие исследования подтверждают эту гипотезу, сообщая об отрицательной корреляции мощности в тета-диапазоне с активацией DMN. В нашем исследовании увеличение мощности тета-ритма в PrecuneusR также может свидетельствовать о деактивации DMN. МВ также задействует функции рабочей памяти; следовательно, оно активирует CEN и повышает мощность тета-ритма. Мы предполагаем, что модуляция ДЛПФК с помощью ТМС может деактивировать DMN, обеспечивая переход от внутренне сосредоточенного психического состояния к психическому состоянию, сосредоточенному на внешней задаче. Это ускоряет обработку стимула и уменьшает общую задержку ответа. Таким образом, мы можем предположить, что ТМС указанной области может позволить ускорять и решение других когнитивных задач, где требуется быстрая реакция. Был разработан оригинальный дизайн экспериментального исследования по регистрации нейронной активности с применением ЭЭГ и поведенческих характеристик добровольцев в процессе восприятия неоднозначных визуальных стимулов (куб Неккера) и принятия решения о виде стимула (ориентации куба) на основании полученной сенсорной информации. Разработанная парадигма позволяет проверить возможность ускорения обработки стимула при помощи ТМС и сочетает внутригрупповой (within-subject) и межгрупповой (between-subject) сценарии. Проведены экспериментальные исследования на группе из 30 добровольцев в соответствии с разработанным дизайном.

 

Публикации

1. Брусинский Н.А., Бадарин А.А., Андреев А.В., Антипов В.М., Куркин С.А., Храмов А.Е. Анализ когнитивной нагрузки в задаче Стернберга с использованием окулографии Известия РАН. Серия физическая, Т. 87, № 1, сс. 125-128 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0367676522700235

2. Григорьев Н., Савосенков А., Удоратина А., Колчина А., Максименко В., Гордлеева С. Transcranial magnetic stimulation affects response time in decision-making tasks 2022 Fourth International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces (CNN), С. 38-40 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/CNN56452.2022.9912492

3. Куркин С., Гордлеева С., Савосенков А., Григорьев Н., Смирнов Н., Грубов В., Удоратина А., Максименко В., Казанцев В., Храмов А. Transcranial Magnetic Stimulation of the Dorsolateral Prefrontal Cortex Increases Posterior Theta Rhythm and Reduces Latency of Motor Imagery Sensors, Т. 23, № 10, с. 4661 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/s23104661

4. Максименко В., Гордлеева С., Григорьев Н., Савосенков А., Куц А., Удоратина А., Грубов В., Колчина А., Куркин С., Казанцев В., Храмов А. Anterior TMS Speeds up Responses in Perceptual Decision-making Task 2022 6th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA), С. 182-184 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/DCNA56428.2022.9923178

5. Савосенков А., Григорьев Н., Удоратина А., Лукоянов М., Куркин С., Гордлеева С. Effect of transcranial magnetic stimulation on changes in cortical structures activity during BCI motory-imagery performance 2022 Fourth International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces (CNN), С. 136-139 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1109/CNN56452.2022.9912523

6. Смирнов Н.М., Куркин С.А., Храмов А.Е. Программа оценки статистической значимости корреляций на уровне функциональной сети -, 2022667457 (год публикации - )