Обнаружение и моделирование переключений между режимами электрической активности головного мозга по данным магнитной энцефалографии

• Автор: Панкратова, Наталья Михайловна
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 100 с. : ил.

ОБНАРУЖЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ МЕЖДУ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПО ДАННЫМ МАГНИТНОЙ ЭНЦЕФАЛОГРАФИИ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ И МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА
Методы диагностики
Модели сложных биологических систем
Обработка экспериментальных данных МЭГ
Глава 2. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ МЭГ
ПРИ ОТСУТСТВИИ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОПОРНЫХ ТОЧКАХ
Выделение патологической активности из
экспериментальных данных с патологией тиннитус
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ МЕЖДУ РЕЖИМАМИ
Переключатель
Специфическое переключение между режимами
Моделирование неспецифического переключения в сигналах электрической активности головного мозга
ОБСУЖДЕНИЕ
ВЫВОДЫ
РЕЗУЛЬТАТЫ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Головной мозг человека состоит из огромного числа клеток, каждая из которых является сложной системой. Но эти клетки целенаправленно координируют свою деятельность, что дает человеку возможность двигаться, мыслить, чувствовать; при этом, его организм проявляет слаженную работу различных жизненных систем (дыхание, кровеносная система и т.д.) Во всех этих случаях интегративная способность нашего мозга проявляется качествами, которые отсутствуют на уровне отдельных клеток. Научные исследования проводятся на различных уровнях:
1. Изучение работы отдельных нейронов и нейронных ансамблей.
2. Изучение функционирования различных отделов мозга и их взаимодействие.
3. Изучение суммарной активности, т.е. изучение головного мозга в целом.
В первом случае разность электрического потенциала снимается на нейронах
in vitro, во втором данные регистрируются со вживленных в различные структуры мозга электродов, либо неинвазивная регистрация электрического или магнитного поля над интересующими структурами. В третьем случае речь идет о неинвазивных методах исследования - энцефалографии, когда датчики покрывают всю поверхность головы.
С появлением современных методов исследования существенно возросло количество экспериментальной информации. Задача неинвазивной энцефалографии состоит в том, чтобы узнать, как работает мозг по магнитному или электрическому полю, регистрируемому на поверхности головы. В решении этой задачи большие надежды возлагаются на магнитную энцефалографию (МЭГ). Рассматриваемые в данной работе записи магнитной энцефалографии (МЭГ) представляют собой

огромный массив данных. Магнитные энцефалографы строятся с использованием высокочувствительных физических приборов - СКВИДов (SQUID сверхрпроводящий квантовый интерференционный прибор), которые позволяют измерять даже очень слабое магнитное поле на поверхности головы с высокой точностью. Современные установки МЭГ насчитывают сотни каналов регистрации с частотой съема от 500 до 900 Гц. Большое количество каналов и высокая частота регистрации дают возможность получать весьма подробное пространственно-временное распределение магнитного поля, отражающее всю электрическую активность мозга в течение эксперимента. В результате, запись одного эксперимента в течение 10 минут имеет сотни временных рядов, каждый из которых содержит десятки тысяч точек отсчета. Сложная структура суммарной электрической активности приводит к необходимости выделения ее компонент, отвечающих разным задачам. Поэтому необходимо разрабатывать методики численного анализа таких массивов, позволяющие быстро находить особенности конкретного эксперимента, указывая моменты времени их проявления и пространственную локализацию источника этой особенности. Решению этой проблемы посвящена одна из глав данной диссертации.
Таким образом, объектом исследования в данной работе является головной мозг человека. Предмет исследования - пространственно-временное распределение магнитного поля на поверхности головы, создаваемое суммарной электрической активностью головного мозга и регистрируемое датчиками установки магнитной энцефалографии.
Предполагается, что избавление от внешних по отношению к мозгу магнитных полей обеспечивается условиями регистрации МЭГ (экранирование установки и конфигурация датчиков). Шумы от работы сердца, дыхания и других

Полученные фазовые портреты динамической системы имеют качественное сходство с фазовыми портретами, полученными из исходного сигнала.
В работе [30] сигнал также представляется множеством ортогональных пространственных мод с соответствующими амплитудами (коэффициентами), зависящими от времени. Модель представляет собой две связанные параметрические системы, описывающие коэффициенты первых двух мод Карунена-Лоэва, вызванных периодическим акустическим стимулом. Показаны зоны Матье, определены области преобладания той или иной моды.
Головной мозг является примером биологической мультистационарной системы, переходящей между соответствующими ей режимами. На записях ритмической активности головного мозга человека, снятой с поверхности головы, наблюдаются переходы между режимами при засыпании, пробуждении, исполнении различных задач. Также при некоторых функциональных нарушениях и болезнях (болезнь Паркинсона, эпилепсия и др.) наблюдаются вспышки патологического характера.
Головной мозг человека представляется очень сложной, до сих пор до конца не изученной системой. Из-за этого существуют различные гипотезы о происхождении ритмов медленной активности мозга. Согласно взглядам
Э.Д. Эдриана [37] каждый нейрон разряжается залпом импульсов. Эта импульсная деятельность различных нейронов регулируется из области гипоталамуса, в результате чего нейроны в своих импульсациях объединяются небольшими группами. Быстрые разряды суммируясь, дают медленные волны. Таким образом, ритмичность медленных колебаний на ЭЭГ обусловлена синхронизацией импульсной деятельностью корковых нейронов из гипоталамического центра.