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

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 проекта 21-72-10121

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

Руководитель Куркин Семен Андреевич, Доктор физико-математических наук

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

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 слова Головной 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1109/DCNA53427.2021.9587026

2. 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)
10.3390/diagnostics12040949

3. 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)
10.1117/12.2626930

4. 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)
10.1117/12.2626745

5. 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)
10.1109/DCNA56428.2022.9923178

6. 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)
10.1109/CNN56452.2022.9912492

7. 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)
10.1109/CNN56452.2022.9912523

8. 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)
10.31857/S0367676522700235

9. 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)
10.3390/s23104661

10. Удоратина А.М., Григорьев Н.А., Савосенков А.О., Ермолаев Д.А., Максименко В.А., Гордлеева С.Ю. Functional TMS mapping during sensorimotor integration task 2023 Fifth International Conference Neurotechnologies and Neurointerfaces (CNN), 108-110 (год публикации - 2023)
10.1109/CNN59923.2023.10275302

11. Савосенков A.О., Григорьев Н.A., Удоратина A.M., Куркин С.A., Гордлеева С.Ю. Эффекты транскраниальной магнитной стимуляции на изменения активности кортикальных структур во время выполнения моторного воображения в интерфейсе мозг-компьютер Гены и Клетки, Т. 18. - №4. - C. 645-648 (год публикации - 2023)
10.17816/gc623398

12. 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)
10.3390/s22072537

Публикации