Дипольное моделирование источников генерации

На основе многоканальной регистрации ЭЭГ был разработан метод картирования биотоков мозга. Картирование дает представление о пространственном распределении по коре любого выбранного показателя электрической активности мозга. Это может быть ВП, один из его компонентов или альфа-ритм (или другие частотные полосы спектра ЭЭГ).

Значение мощности выбранного показателя подразделяется на уровни. В одном варианте каждому уровню приписывается свой цвет и изменение локуса активности выглядит как перемещение определенного цвета по карте. В другом варианте значения показателя, принадлежащие одному уровню, соединяются изолиниями, как на топографических картах, на которых можно видеть возвышенности и впадины. Рассматриваются карты, полученные в разное время и в разных условиях. Этот метод позволяет выявить фокусы активности мозга. Используется процедура вычитания одной карты потенциалов из другой, что позволяет связать паттерн ЭЭГ-активности с той или другой когнитивной операцией.

Чтобы сжать информацию, содержащуюся в карте с изолиниями, делают следующий шаг: рассчитывают некоторый источник тока – диполь, эквивалентный реальному источнику тока в мозге. Определяют его локализацию, ориентацию, длину. Такими диполями обычно можно объяснить до 80-90% потенциалов, зарегистрированных от поверхности черепа. Процедура определения диполя включает построение новой карты распределения потенциалов исходя из характеристик первично рассчитанного диполя. Исходную карту сравнивают с рассчитанной картой, при их различии включают процедуру итерации, которая вносит коррективы в локализацию и характеристики рассчитанного диполя. В результате расчетная карта потенциалов максимально приближается к исходной. При расчете диполя учитывают различия распространения тока в объемном проводнике для разных типов ткани под электродом (кожа, кости, мозг ит.д.).      

 

Использование в психофизиологии. Связь с психическими процессами и состояниями.

ЭЭГ позволяет оценивать психическое состояние человека и использовать эти данные. Выделяя частотную составляющую, мы может регистрировать эмоциональное состояние. Поднеся электроду к самому мозгу, мы регистрируем те же показатели что и с кожи головы. В ЭЭГ отражается изменение активности корковых нейронов, которое коррелирует с психологическим состоянием человека.

(закон о смерти человека)

ЭЭГ может использоваться в прикладной психофизиологии. Используется для оценки искренности ответа человека. ЭЭГ позволяет идентифицировать личностные особенности и квалифицировать.

 

Транскраниальная электростимуляция

Суть методики транскраниальной электростимуляции – воздействие на определенные группы клеток головного мозга импульсного низкочастотного электрического тока. В результате такого воздействия активируются альфа-ритмы головного мозга, увеличивается содержание нейромедиаторов – серотонина, ацетилхолина, мет-энкефалина и бета-эндорфинов. При проведении процедуры транскраниальной стимуляции в области лба и затылка пациента крепятся электроды, по которым электроимпульсы поступают в мозг. В течение первых пятнадцати минут после начала процедуры транскраниальной терапии концентрация в крови и в околомозговой жидкости бета-эндорфина возрастает, что приводит к проявлению лечебных эффектов транскраниальной стимуляции

Эффекты от применения ТЭС

· Снижение выраженности невротической симптоматики, снятие напряженности, чувства тревоги, различных страхов.

· Эмоциональный фон приобретает положительную окрашенность.

· Во время сеанса пациент испытывает состояние покоя, мышечного расслабления (снимаются мышечные зажимы).

· За счет урегулирования процессов возбуждения и торможения снимается аффективное напряжение, с одной стороны, и заторможенность (депрессивное состояние), с другой.

· Блокирование механизмов психологической защиты

· Эффект анальгезии, позволяющий снять болевую симптоматику при сопутствующих соматических заболеваниях (миалгии, кардиалгии, невралгии, головные боли различного генеза и т.д.)

МЭГ. МЭГ – это регистрация магнитных полей, которые создаются электрическим током от синхронной активности множества нервных клеток.

9. Системы интерфейсов для взаимодействия человека с внешними устройствами: «Мозг-Компьютер-Интерфейс» (‘Brain-Computer-Interface’, BCI) и «Мышца-Компьютер-Интерфейс» (‘Muscle-Computer-Interface, MCI): инвазивный и неинвазивный варианты, рез-ы опытов на жив и эксп с ч (примеры), знач и перспективы ис-й в этой обл-ти (Презентации №№ 2.2-2.3)

1.1) ИМК (Мозг-к-и). система коммуникации ч-ка с машиной (ЭВМ\протез), основанная на непоср преобразовании намерений человека, отраженных в регистрируемых S Гм, в управляющие команды; сис для канала прямой связи меж акт м и тех устр и осн-я на распоз-и паттернов ээг. 1й был создан в 60е в Calif и осн на спос-ти ч-ка произвольно управлять мощностью а-ритма ЭЭГ; исп-ся для управ устройством одной бинарной командой (вкл\выкл). В кач прост-врем пат-на ээг исп-ся прост-е расп-е А-д ритмов ээг по пов-ти головы, чья перестройка отр-т доминир-е тех или иных когн-х проц-в. Обучение сходно с вкл-м инстр-в в схему тела. 2 этапа: калибровка и тестирование.

А) Неинвазивный – осн на распознавании мент-х сост, вызванных воображаемым выпол-м движ. Обесп-т форм-е дискретных управл-х команд и требует минимального времени обучения оператора при выс производительности. Вкл-т ээг, ур оксигенации крови bold, ФМРТ и спектроскопию в ближней инфракрасной обл NIRS. Раз мыслям и намер-м соотв-т раз паттерны (=рис) суммарной эл акт-ти мозга (напр, ээг; нейро-комп интерфейс: зад упр-я ->нефрофизол эф-т; снятие ээг->данные ээг\предобработка: вычис хар-х приз-в -> набор приз->классификация: какому сиг соот-т набор приз -> рез-ты класс-и -> комбин-е рез-в -> управляющий сигнал ->исполнит-е устр ->набл-е рез-в упр-я). Перспективные разработки: 1)осн-й на распознавании мент-х сост-й, вызванных вообр-м движ-м, обсп-й дискр упр-е команды (Берлинский) 2)непр упр с длит обучением БОС, тех устр как виртуальный орган, не треб ментального кодирования дискр-го набора команд.

Б) Инв. Осн на 2стор-й связи М-К посредством имплантируемых электродов. Позв-т полностью инкорпорировать внеш-е тех устр-ва во внут-ю нейронную модель схемы тела и оперировать с ними как с ест-ми органами. Вкл-т измерения локальных полевых потенциалов LFP, единич акт-ти SUA, мульти-блоковую акт-ть mua и экг.   

Фунд-е рез-ты экспериментов с инв ИМК:!!Различ пар-ры движ код-ся пересекающимися ансамлями нейронов, и каж ней дает вклад в различ пар-ры движ-я. Линей регрессионные модели, примененные к акт-ти одних ней-в м дек-ть разл-е пар-ры движения (полож, t, v).!!Для упр внеш устр-ми м исп-ся акт-ти не только задающих моторную команду обл-й, но и тех, чья акт предш-т моторной команде (обл-й, соотв-х опред-ю напр-я к цели\исп-го органа). Хотя такое упр м обеспечить лишь дискретное упр-е (в то время как акт моторных обл-й – непрерывное), они сокр-т t за счет команды манипулятору. Возможно комб-е исп-е обл-й для упр-я устр-ми.!!!В теч выработки навыка паттерн акт ней-в модифицир-ся по срав с ест-м, т.е.это как упр-е новой точкой тела с исп-м преж-х ней-в. на этом этапе вариабельность ней акт-ти резко возр, проис поиск нов паттерна акт-ти, адекватного управлению манипулятором (протезом). Когда пат найден вариаб стаб-ся. По мере обучения воображение теряло значение, и упр-е внеш-м устр-м произв-сь как ест-й моторный акт без обдумывания его деталей. Персп разработки: 2стор-я связь, позволяет полностью инк-ть тех устр.

Сигналы мозга обраб-ся для извлечения хар-к, имеющих отн-е к ИМК (напр, общение) и классиф-ся с исп-м поступательного алгоритма конструирования сигнала, который упр-т ИМК. ИМК мб класс-ны как вспомогательные для общения\передвиж, в кач реабилитации, для восст-я f НС. +Берлинский интерфейс (буквы в «цветке»), Ж.Пинту с роботизированным экзоскелетом (Николелис и 156 в теч 15 лет).

1.2)? видимо, как берлинский имк

2) Эксперименты. Обезьяны и крысы.

Крысы: рег-ся акт-ть участков коры перед наж-м на рычаг подкрепления. Сигналы передаются на кормушку до нажатия педали (опережение). Крысы продолжают мех-ки нажимать на рычаг, даже если кормушка уже сработала, но потом догадываются и мыс-но управ-т внешним устройством через электр-й интефейс.

М.Николелис. Обезьянка Бель управляла джойстиком перед щитком с лампочками. Под шапочкой – 4 пластиковых соед-х устр-ва с пучком имплан-х тончайших микроэлектродов, кот реагировали на «решение» Бель, передавали эл сигн в «ящик Харви», кот собирал\фильтр\усиливал сиг и передавал серверному компу в сосед комнате. Сигналы пост в виде растровых нейронограмм; каж ряд – акт-ть опр-го нейрона, цветной щтрих – разряд этого ней в дан момент. Комп предсказывал траект движ руки и преобразовывал в команду для мех-руки, передавая сигн др компам в т ч, упр-му движ в др комнате и в кембридже; обе мех руки двигались синх с рукой Бель.

Шварц: мыс упр-е обезъяной мех рукой с 7 степ свободы.

М.Капогроссо: у обезьянки с повр ногой рег-сь: мотор кортексная акт-ть, мотор стадийная декодирование, импл-м генератором – пульс, эпидуральная эл стим-я, спинальная акт и мю-ритм 96ю канн-ми. Успешно передаются сигналы от мозга к позвоночнику, но не может возвр-ть в мозг сенс инф и неизвестно давление на пораженную ногу.

Д.Донохью – нейрочип braingate вживил парализованному больному. + Экп Дельгадо: шимпанзе Дэдди (получение «веретен» миндалины->аверсивная R; отучение миндалины на 99%) и бык с импл-м стимосивером. Мозговые мишени: ис показ-т, что эл-я стимуляция языка стим-т 2 главных кран-х нерва – фасциальный и «ответственный за чувств-ть лица, кусание и жевание); сигналы пос-т в мозг-й ствол и активир-т\ре- стр-ры, включенные в функции – кортекс, спм, и почти весь мозг.

3) BrainGate2 – жен и кофе. 4 дня 158 попыток. Кора не утрачивает способность продуцировать кач моторные сигналы.

ИМК (‘Brain-Computer-Interface’, BCI) - система коммуникации человека с машиной (ЭВМ или протез), основанная на непоср-м преобраз-и намерений ч, отр-х в регистрируемых сигналах мозга, в управляющие команды.

1. В экспериментах обезьяны учились произвольно управлять активностью отдельных корковых нейронов. Обучение производилось с помощью инструментального обуславливания, когда обезьяна получала подкрепление только после того, как она устанавливала такое состояние активности мозга, которое обеспечивало заданную экспериментатором Ч разрядов ПД выбр-го нейрона. Поскольку произвольное намерение может проявляться в изм-и акт-ти опр-х нейронов, вскоре возникла идея, что оно может распознаваться по этой ак-ти и исп-ся для упр-я техн-ми устр-ми, в частности, протезами у больных с серьезными двигательными нарушениями.

3. Бразильский учёный Мигель Николелис, известный, прежде всего, работами по «прочтению мыслей обезьяны». Он и его коллеги имплантировали электроды в мозг обезьяны и таким образом смогли зар-ть моторную акт-ть, кот была исп-на для упр механической рукой. Таким образом, механическая рука двигалась под воздействием мысли обезьяны. Активность отдельного нейрона является очень вариабельной, и только статистически удается связать его активность с выполняемым движением. Поэтому чем большая популяция нейронов исп-ся для упр-я внешним устр-м, тем <вариабельность управляющей команды.

4. Обезьянка сидит в кресле так, что ее лапки примотаны к ручкам кресла, и она не может достать лакомый кусочек, который ей протягивает экспериментатор. Вместо этого она через активность, которая снимается с отдельных нервных клеток ее мозга, может это сделать, запустив движение искусственной руки, протеза. Протез имеет несколько (7) степеней свободы. Обезьяна должна планировать для себя разные действия через такой интерфейс. Это явл-ся продуктом того, что мы начинаем распоз-ть мыс-е пр-сы и дек-ть их содержание.

5. Первая операция по восстановлению двигательных функций полностью парализованному больному (с locked-in синдромом) была сделана в 1998 году Кеннеди и Бекей. В рез-те операции больной научился двигать курсор на экране компьютера.

6. В 2005 году парализованному больному был вживлен нейрочип BrainGate, разработанный Дж. Донохью. В ходе этой операции больному был вживлен нейрочип, содержащий 96 микроэлектродов. Он был вживлен в область моторной коры, управляющей движением правой руки. В рез-те операции больной научился двигать искусств-й рукой или выбирать команды управ-я на экране комgа, например, для упр-я освещением и телевизором, в зав-ти от того, с какой внешней сис был связан интерфейс.

Проблемы науки и практики ИМК:

1) Проблема биологической совместимости нейрочипа и мозга. Со временем качество работы уменьшается из-за покрытия соединительной тканью и повреждения близлежащих нейронов. Для замедления покрытия электродов соединительной тканью предлагается покрывать электроды веществами, стимулирующими рост нервной ткани или предотвращающими развитие воспалительного процесса, или делать электроды специальной сложной конструкции с расположением контактов в микрополостях, заполненных нейротрофическими присадками, стимулирующими врастание в них нервных окончаний. Однако удовлетв-го способа полного предотв-я зарастания вживленных электродов соединительной тканью еще не разработано.

2) Необходимость в телеметрической рег-и сигналов для предотвращения инфекционных поражений мозга.

3) Еще нет полного понимания того, как кодируется и перерабатывается инф в Rх нейронов мозга. Наиболее общепринятым является предпол о код-и частотой разрядов нейронов или временными и прост-ми паттернами распределения разрядов. Однако для создания ИМК полного понимания не требуется. Более того, ИМК могут существенно способствовать такому пониманию.

4) Для того, чтобы облегчить и сделать более полным восприятие протеза как части собственного тела, необходимо осуществить его «очувствление», т. е. снабдить его сенсорами, отвечающими на соприкосновения с внешними предметами (тактильные датчики) и изменения его пространственной конфигурации (проприоцептивные датчики), а также обеспечить поступление информации от этих датчиков в мозг. В существующих на настоящее время ИМК эта информация поступает в мозг только с помощью зрения.

 

10. Магнитоэнцефалограмма: способы регистрации, обработка и представление данных, сравнительный анализ возможностей МЭГ и ЭЭГ в исследовании механизмов мозга. Транскраниальная магнитная стимуляция.

 

Эффект Джозефсона. СКВИД. Сверхпроводниковый квантовый интерференционный датчик. Это магнитные катушки для регистрации магнитной активности. В их основе лежит эффект Джозефсона. Он теоретически предсказал явление в сфере сверхпроводников. Явления: в триаде «сверхпроводник–диэлектрик-сверхпроводник» возникает электрический ток. Этот эффект используется в радиотелескопах или для улавливания магнитной активности в ГМ.

Первый МЭГ – 1983 г.

Магнитное поле быстро угасает и это надо предотвратить. Для этого используют градиометр, его совмещают со СКВИДом, и все это размещают в вакуумно-изолированных сосудах Дюара, в которых находится жидкий гелий. Чтобы уменьшить лучеиспускание, внутри сосуды покрывают серебром. Это очень неудобно и очень дорого.

МЭГ отражает активность тангенциально (параллельно коре) расположенных слоев коры. МЭГ регистрирует активность только коры, в отличие от ЭЭГ (подкорка и кора). МЭГ регистрируется без помех со стороны кожи, черепа ит.д. МЭГ не требует индифферентного электрода. МЭГ связан с бесконтактным уровнем регистрации. Для МЭГ, как и для ЭЭГ, существует проблема увеличения соотношения «сигнал-шум», поэтому усреднение ответов также необходимо. Полезно их комбинировать.