Методы нелинейной динамики в исследовании полисомнографии: механизмы адаптации к нарушению режима сна при различных хронотипах

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 22-72-10061

НазваниеМетоды нелинейной динамики в исследовании полисомнографии: механизмы адаптации к нарушению режима сна при различных хронотипах

Руководитель Журавлев Максим Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 обработка биомедицинских сигналов, нестационарные сигналы, нелинейная динамика, перемежаемость, синхронизация

Код ГРНТИ29.35.03

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время нарушение режима сна является устойчивым сценарием повседневной жизни многих тысяч людей. Сегодня смещение времени засыпания, дефицит сна и их нерегулярные характеристики часто обусловлены рабочим графиком, связанным с непрерывным циклом производства\контроля. В то же время, ряд исследований демонстрирует, что регулярное нарушение сна коррелирует как с повышением риска метаболических расстройств, ожирения, повышения кровяного давления и пр., так и, например, с изменениями в микробиоте кишечника, повышением риска возникновения ранних когнитивных дисфункций, а также манифестации болезни Альцгеймера. Тем не менее, часть населения сознательно сдвигает время засыпания на поздние часы, объясняя это субъективными оценками лучшего самочувствия, улучшения работоспособности и общего повышения показателей эмоционального состояния и когнитивного фона. Кроме того, в некоторых работах не удаётся выявить негативных последствий и от вынужденного нарушения режима сна\бодрствования для нейропсихологических характеристик испытуемых. В предлагаемом Проекте планируется выполнить исследование дифференциального вклада хронотипа и режима сна\бодрствования на характеристики активности головного мозга в различных стадиях сна, опираясь на подходы нелинейной динамики и радиофизики. Принципиальной новизной Проекта является анализ объективных радиофизических характеристик колебательных режимов, синхронизации различных зон коры головного мозга и оценка перемежающейся динамики различных режимов по сравнению с принятой сегодня в сомнологии простой детекции структуры ночного сна по стадиям.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Дорохов В.Б., Якунина Е.Б., Пучкова А.Н., Шумов Д.Е., Гандина Е.О., Таранов А.О., Ткаченко О.Н., Лигун Н.В., Арсеньев Г.Н., Руннова А.Е., Манаенков А.Е., Дементиенко В.В., Путилов А.А. Can physiological sleepiness underlie consciously perceived sleepiness assessed with the Epworth sleepiness scale? European Physical Journal: Special Topics, (2023): 1-14 (год публикации - 2023)
10.1140/epjs/s11734-023-00771-2

2. Симонян М.А., Фисун А.В., Афанасьева Г.А., Глушковская-Семячкина О.В., Блохина И.А., Сельский А.О., Журавлев М.О., Руннова А.Е. Oscillatory wavelet-patterns in complex data: mutual estimation of frequencies and energy dynamics European Physical Journal: Special Topics, (2022): 1-9 (год публикации - 2022)
10.1140/epjs/s11734-022-00737-w

3. Сельский А.О., Драпкина О.М., Агальцов М.В., Посненкова О.М., Симонян М.А., Журавлев М.О., Руннова А.Е. Adaptation of recurrence plot method to study a polysomnography: changes in EEG activity in obstructive sleep apnea syndrome European Physical Journal: Special Topics, (2023): 1-12 (год публикации - 2023)
10.1140/epjs/s11734-023-00814-8

4. Емельянова Е.П., Сельский А.О. Разметка стадий быстрого и медленного сна с помощью рекуррентного анализа Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика., T. 31, № 5. С. 643–649 (год публикации - 2023)
10.18500/0869-6632-003060

5. Сельский А.О., Журавлев М.О., Новиков М.Ю., Руннова А.Е. Статистический анализ характеристик рекуррентного анализа различных стадий сна Учёные записки физического факультета МГУ, №6. - С.1-5 (год публикации - 2023)

6. Журавлев М.О., Агальцов М.В., Киселев А.Р., Симонян М.А., Новиков М.Ю., Сельский А.О., Уколов Р.В., Драпкина О.М., Орлова А.А., Пензель Т., Руннова А.Е. Compensatory mechanisms of reduced interhemispheric EEG connectivity during sleep in patients with apnea Scientific Reports, Т. 13. – №. 1. – С. 8444. (год публикации - 2023)
10.1038/s41598-023-35376-1

7. Парсамян Р.Р., Посненкова О.М., Журавлев М.О., Сельский А.О., Киселев А.Р., Фисун А.В., Руннова А.Е. Хронизация головной боли: анализ вызванных потенциалов на стимул РОССИЙСКИЙ ЖУРНАЛ БОЛИ, т. 22, № 1, с. 18-26 (год публикации - 2024)
10.17116/pain20242201118

8. Ульянов В.Ю., Журавлев М.О., Киселев А.Р., Мусатов В.Ю., Мусатова Т.В., Акимова Н.С., Парсамян Р.Р., Руннова А.Е. EEG markers of attention sustainability detected in neuropsychological testing in different age groups The European Physical Journal Special Topics, С. 1-12. (год публикации - 2023)
10.1140/epjs/s11734-023-01063-5

9. Симонян М.А., Дрождева Е.Е., Уколов Р.В., Журавлева Ю.А. Investigation of Time-Frequency Characteristics of Nighttime EEG Signals in Various Brain Regions Depending on Chronotype 2024 8th Scientific School Dynamics of Complex Networks and their Applications (DCNA). – IEEE, 2024. – С. 224-225. (год публикации - 2024)
10.1109/DCNA63495.2024.10718556

10. Симонян М.А., Дрождева Е.Е., Журавлев М.О., Сельский А.О., Журавлева Ю.А. Identification of variations in time frequency characteristics of sleep stages for humans with different chronotypes CYBERNETICS AND PHYSICS, вып. 13, ном. 3, стр. 220–227 (год публикации - 2024)
10.35470/2226-4116-2024-13-3-220-227

11. Сергеев К.С., Журавлёв М.О., Морев Д.С., Руннова А.Е. Изменение степени посредничества отведений электроэнцефалографии при когнитивной нагрузке Письма в журнал технической физики, том 50, вып. 20, стр. 11-15 (год публикации - 2024)
10.61011/PJTF.2024.20.58930.19951

12. Егоров Е.Н., Журавлёв М.О., Руннова А.Е., Евстропов М.А., Реджепова А.С. Метод ортогональной декомпозиции Карунена–Лоэва для задач оценок ЭЭГ пациентов с мигренью ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ПРИКЛАДНАЯ НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА, Т. 33, № 1, стр. 123-139 (год публикации - 2025)
10.18500/0869-6632-003132

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках работ по Проекту за 2024 – 2025 гг были проведен комплекс научно-исследовательских работ, посвященный работам по математическому моделированию фундаментальных особенностей ЭЭГ активности головного мозга во время сна, выявленных за первый и второй этапы выполнения Проекта. Решены следующие задачи: 1. Комплексно изучена сетевая структура ЭЭГ активности головного мозга во время ПСГ на основе различных метрик центральности, в частности, центральности по посредничеству. 2. Выполнено математическое моделирование структур возникающей синхронной активности и перемежаемости в комплексах ПСГ записей. 3. Исследованы возможности оценки биомаркеров снижения адаптации к нарушению режима сна\бодрствования. 4. Проведена автоматизация построения гипнограмм при помощи ИИ методов. 5. Разработан подход к оценке хронотипа по данным ПСГ При реализации плана исследовательской работы был получен ряд научных результатов. В частности, с применением технологий искусственного интеллекта и машинного обучения разработана система оценки функциональных биомаркеров, позволяющих как детектировать хронотип пациента, так и возможности его адаптационных характеристик к нарушениям условно нормального циркадного ритма. Определение хронотипа пациента не демонстрирует достаточной точности по данным ПСГ, поскольку на характеристики сна, по всей видимости, оказывает существенно большее значение адаптация организма человека к его индивидуальному распорядку дня, определяемому как характеристиками рабочего графика (ночные\дневные смены), так и выбираемому режиму отдыха. Однако, выполненная детекция предполагаемых адаптационных факторов организма к нарушениям данного привычного распорядка дня оказывается весьма перспективной. Адаптацию человека к нарушениям своего условно нормального циркадного ритма мы трактуем с позиций классической теории функциональных систем П.К. Анохина. Основываясь на выявлении признаков нарушений совместного функционирования центральной нервной, сердечно-сосудистой систем во время привычного времени сна индивида и/или отклонения в когнитивных функциях внимания при тестах во время бодрствования, мы можем утверждать возможность снижения адаптации к тому или иному нарушению оптимального распорядка дня, соответствующего хронотипу. В то же время, заметим, что изучаемая самоорганизующася система человека весьма склонна к активной адаптации, приводящей к приведению своего рабочего графика в соответствие с хронотипическими особенностями. Так, в группе добровольцев, работающих в ночную смену, наблюдается повышенный процент пациентов с поздним хронотипом, несмотря на все усилия по выравниванию распределения добровольцев с различными хронотипами. Определение подобной активной адаптивной способности человека относится быстрее к задачам социологии. Таким образом, здесь под адаптацией рассматривается вопрос пассивного приспособления, т. е. насколько хронотипические особенности организма успешно подстроены к условно навязанному социальными условиями стиля жизни. Работы за третий этап во многом опираются на результаты, полученные ранее в рамках первого и второго лет выполнения Проекта. Все запланированные на отчетный период работы выполнены полностью. Результаты выполнения работ в рамках Проекта отражены в научных публикациях, а также представлены на Международных и Всероссийских конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Сегодня рынок носимых устройств постоянного контроля за состоянием организма в РФ полностью занят импортной продукцией (перечислим такие крупные компании, как, например, Apple, Samsung, Huawei, Xiaomi, Garmin и специализированные лидеры «рынка сна» Whoop, Oura Ring и т.д.). Заметим, что особое внимание многие компании уделяют развитию технологий оценки именно параметров сна, что может быть связано с растущим количеством нарушений нормального ночного сна при современном городском ритме жизни. Кроме того, немаловажным фактором, обуславливающим рост данного рынка, является повышенная тревожность современного городского общества, выражаемая в попытках регулярного контроля за собственным состоянием здоровья и, одновременно, некоторого недоверия к регулярной медицинской диспансеризации. Однако, более глубокое понимание этого вопроса несомненно требует отдельной оценки социологических, психологических и пр. вопросов современного состояния населения крупных городов. В рамках проекта разработана технология наукоемкой оценки адаптивного состояния организма с учетом индивидуальных параметров хронобиологических ритмов. Далее, нами планируется развитие данной технологии для реализации в виде миниатюрного программно-аппаратного комплекса, состоящего из наручных часов и нескольких выносных датчиков. В рамках данного прибора современные миниатюрные технологии позволяют регистрировать ФПГ, пульсовую волну, 3 - 4 ЭЭГ, ЭКГ. Далее, оценка параметров организма может осуществляться как на мобильном устройстве клиента, так и серверным образом. Подобное устройство может явиться как (1) «модным» гаджетом, составляющим конкуренцию современным продуктам импортных компаний и востребованным у практически здоровых потребителей, ревностно относящихся к объективной оценке «параметров» своего здоровья, так и (2) прибора мониторинга, применимого к пациентам с заболеваниями сердечного-сосудистой системы или состояниями, предрасполагающими к таковым. Таким образом, в рамках проекта сформирован мощный блок научного задела, позволяющий перейти к усовершенствованию технологии адаптивного мониторинга в рамках телемедицинских устройств, а также разработать новый товар, актуальный для развития социальной и медицинской сфер экономики Российской Федерации.