Диссертация (Парциальные спектры спонтанной активности головного мозга человека)

Федеральное государственное учреждение «Федеральный исследовательскийцентр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российскойакадемии наук»На правах рукописиРыкунов Станислав ДмитриевичПарциальные спектры спонтанной активностиголовного мозга человека03.01.02 – БиофизикаДиссертацияна соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководительдоктор физико-математических наукУстинин Михаил НиколаевичМосква – 20162ОглавлениеВведение ........................................................................................................................... 51. Головной мозг человека и экспериментальные методы его изучения ................

111.1 Головной мозг и генерируемые им сигналы ..................................................... 111.1.1 Анатомическая структура мозга и функции его разделов ......................... 111.1.2 Строение нервной клетки .............................................................................. 181.1.3. Источники полей в мозге ............................................................................. 221.2 Магнитно-резонансная томография ................................................................... 241.2.1 Основные принципы ......................................................................................

241.2.2Данныемагнитно-резонанснойтомографии,использованныевдиссертационной работе......................................................................................... 261.2.3 Функциональная магнитно-резонансная томография................................ 271.3 Магнитная энцефалография ................................................................................ 281.3.1 Характеристики биомагнитных полей.........................................................

281.3.2 Магнитноэкранированные помещения ........................................................ 291.3.2 СКВИД измерения ......................................................................................... 301.3.4 Магнитный градиометр НИЦ Курчатовский институт. ............................ 351.3.5 Магнитный энцефалограф CTF MEG Нью-Йоркского университета...... 361.3.6 Методы и программы обработки данных магнитной энцефалографии ... 421.4 Заключение к разделу 1 .......................................................................................

442. Спектральные методы анализа данных магнитной энцефалографии .................. 452.1 Вычислительные особенности применяемых методов .................................... 452.1.1. Преобразование Фурье как вычислительная основа работы ................... 4532.1.2. Программное и техническое обеспечение расчетов, выполняемых вдиссертации. ............................................................................................................... 462.2 Применение спектральных методов и программ к анализу данных магнитнойэнцефалографии. ........................................................................................................ 492.2.1 Сравнительный анализ данных магнитной энцефалографии (МЭГ),полученных с помощью различных измерительных приборов.

......................... 492.2.2. Анализ отклика слуховой коры в условиях сильных магнитных помех. 542.3. Заключение к разделу 2 ...................................................................................... 603. Функциональная томография................................................................................... 623.1 Методика анализа данных ................................................................................... 623.2 Компьютерная симуляция ................................................................................... 673.3 Экспериментальная проверка на физической модели .....................................

683.4 Функциональные томограммы альфа-ритма. .................................................... 693.5 Разрешающая способность метода..................................................................... 733.6 Обсуждение результатов ..................................................................................... 753.7 Заключение к разделу 3 ....................................................................................... 764. Вычисление и исследование парциальных спектров головного мозга ............... 774.1. Методы и программы расчета парциальных спектров ...................................

774.1.1 Использование парциальных характеристик для изучения сложных систем................................................................................................................................... 774.1.2 Общая схема программного комплекса ....................................................... 784.1.3 Используемые модели и форматы данных .................................................. 794.1.4 Модуль для расчета экспериментальных паттернов магнитного поля .... 804.1.5 Модуль для расчета пробных паттернов магнитного поля .......................

834.1.6 Модуль для пространственной локализации источников поля ................ 8644.1.7. Модуль для расчета парциальных спектров отделов головного мозга ... 894.2. Парциальные спектры спонтанной активности головного мозга человека внорме и при некоторых патологиях ......................................................................... 924.2.1 Парциальные спектры альфа-ритма ............................................................. 924.2.2 Парциальные спектры патологической активности................................... 994.3 Заключение к разделу 4 .....................................................................................

106Заключение .................................................................................................................. 107Список сокращений .................................................................................................... 109Список литературы .....................................................................................................

110Благодарности .............................................................................................................. 1225ВведениеОбъектом исследования, выполненного в данной работе, является головноймозг человека. Изучение структуры и функции мозга имеет большую научную идиагностическую важность и ведется во многих лабораториях мира с помощьюсамых современных приборов и методов – магнитной энцефалографии и магнитнорезонансной томографии.Магнитно-резонансная томография позволяет получить информацию обанатомической структуре мозга с миллиметровой точностью и представить этуинформациюввидепространственногораспределениятехилииныххарактеристик.

Эти характеристики зависят от принадлежности элемента объемаразличным структурным частям мозга, что позволяет произвести аннотированнуюсегментацию магнитно-резонансной томограммы.Магнитная энцефалография является одной из наиболее передовыхбиологическихтехнологий,занимающихсядетальныманализомфункционирования головного мозга человека. Записи магнитных полей с высокойчастотой дискретизации и сотнями каналов могут предоставить сведения о работекак коры, так и глубоких структур мозга. При этом анализ функции мозгаосложняется двумя обстоятельствами: Одно из них - синхронная природанейронной активности мозга, заключающаяся в том, что в каждый момент временипроисходят миллионы функциональных нейронных событий.

Другое состоит всложности морфологии нейронных популяций, которая приводит к генерацииразличных конфигураций электромагнитных полей при их активации [1]. Поэтомувесьма актуальной является тема диссертации, состоящая в принципиально новомсовместном использовании данных о структуре и функции для углубленногоизучения спектральных характеристик мозга.Исторически наиболее распространенный подход к решению этих проблемсостоял в том, что рассматривалась стимулированная мозговая активность(вызванные или наведенные потенциалы), или же рассматривались характеристикиспонтанной электромагнитной активности, относящейся к глобальным событиям,6таким как различные фазы сна или бодрствования [2].

Существует две основныхгруппы подходов к анализу данных магнитной энцефалографии – анализвременных рядов и анализ спектров. Анализ временных рядов, в свою очередь,делится на решение обратной задачи в приближении малого числа диполей,построение системы распределенных источников [3;4;5] и эвристические подходы[6;7]. Для анализа временных рядов характерно использование большого числакоротких временных отрезков и их последующее усреднение, с целью усиленияпостоянного сигнала (отклика) и ослабления фоновой (спонтанной) активности.Также существуют подходы к анализу изменения активности головного мозга поизменению спектра во времени [8].Целью данной работы являлось выявление спектральных особенностей,присущих различным отделам головного мозга человека.Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:- разработка программного обеспечения для функциональной томографиимозга на основе детального спектрального анализа данных энцефалографии;- экспериментальная проверка метода функциональной томографии;- аннотированная сегментация магнитно-резонансных томограмм;- создание нового подхода к изучению мозга, в котором спектральныекомпоненты активности классифицируются по месту их генерации.Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней была впервыевыдвинута и реализована идея о возможности массовой классификацииэлементарныхспектральныхкомпонентмногоканальныхизмеренийпоместоположению их источников.Впервыепредложенполностьюнеинвазивныйметодпарциальнойспектроскопии головного мозга по данным магнитной энцефалографии имагнитно-резонансной томографии.Впервые разработаны алгоритмы и написаны программы для эффективногорасчетафункциональныхтомограмм,которыепозволяютиспользоватьвысокопроизводительные параллельные вычисления, как для быстрого расчета7функциональных томограмм, так и для расчетов с высокой разрешающейспособностью.Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем.Построена новая фундаментальная и диагностическая сущность – наборпарциальных спектров отделов головного мозга человека.