Отзыв официального оппонента, д.б.н. Н.А. Семёновой (Функциональная интеграция нейрональных популяций в мозге человека)

отзыв официального оппонента на диссертацию Шараева Максима Геннадьевича «ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ НЕЙРОНАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ В МОЗГЕ ЧЕЛОВЕКА», представленной на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02 - биофизика Актуальность диссертационной работы Диссертация Максима Геннадьевича Шараева посвящена выяснению механизмов функциональной интеграции популяций нейронов мозга человека в различных условиях: в состоянии покоя и прн зрительной стимуляции.

При анализе активности мозга, зарегистрированной такими методами, как электроэнцефалография (ЭЭГ) и функциональная магнитно-резонансная томография (фМРТ) важно понять не только локализацию активного участка мозга, но и взаимодействие или согласованность в работе этих участков. В диссертации исследуются направленные (эффективные) связи между областями мозга, выявляющие эффекты, вызванные таким взаимодействием.

Давно известны способы оценки ненаправленных функциональных связей между нейрональными популяциями (расчет корреляций, спектральной когерентности, анализ независимых компонент и другие). Нахождение направленных или эффективных связей требует либо наличия модели генерации данных, либо применения асимметричной статистической меры, В настоящей работе впервые успешно применены оба этих подхода к анализу экспериментальных данных. В первой части работы методом фМРТ исследуется взаимодействие областей нейронной сети, активной при отсутствии нероактивации (состояние покоя, сети по умолчанию).

Уже с момента открытия сети по умолчанию в 1995 году стало понатио, что эта сеть может отвечать за возникновение базовых механизмов сознании, а нарушения в ее работе могут быть связаны с различными патологическими состояниями мозга. Исследование функциональной интеграции областей сети по умолчанию важно как с фундаментальной, так и практической точки зрения: зачастую именно нарушения в связях между нейрональными популяциями являются надежными маркерами патологии.

В настоящей работе рассчитаны информационные потоки между областями сети по умолчанию на основе метрики теории информации— трансферной энтропии, а также построены модели эффективных связей между четырьмя базовыми областями сети по умолчанию н впервые доказана стабильность этих связей во времени. Обнаружено, что основными возбуждающими областями сети по умолчанию являются билатеральные структуры — левая и правая нижиетеменная кора Анализ расчета трансферной энтропии и моделирования, проведенных автором, дает основания предположить интегрирующую роль задней части поясной извилины как узла, в который поступает информация от остальных областей сети. Далее в работе рассматривается роль парагиппокампальных областей в работе сети по умолчанию. Показаны стабильные связи между левой/правой парагиппокампалъными извилинами и базовыми областями сети по умолчанию.

Впервые доказана устойчивость модели эффективных свюей между областями сети по умолчанию прн добавлении или исключении одной из областей. Вторая часть диссертации Шараева М.Г. посвящено изучению взаимодействия нейрональных популяций вентрального зрительного пути человека во время первичной обработки простых зрительных стимулов, а именно — роли так называемых обратных кортико-кортнкальных связей на ранней сталин зрительного восприятия.,Исследование проводилось методом ЭЭГ. Идеи о важной роли обратных связей в работе мозга не новы. Например, в исследованиях А.М. Иваницкого обнаружено, что амплитуда промежуточных волн определяется как сенсорными свойствами стимула, так и его значимостью. Это позволило предположить, по в основе найденной зависимости лежит кольцевое движение нервных импульсов: возбуждение поступает от проекционной к ассоциативной коре (для зрительных стимулов - височная кора) н далее к лимбико-гиппокампальному комплексу и подкорковым центрам эмоций и мотивацнй.

В работе М.Г. Шараева исследуются механизмы функциональной интеграцни при обработке зрительной информации, что крайне важно как с теоретической, так и с практической точек зрения. Обратные связи учитываются в болыпннстве теоретических и компьютерных моделей мозговых функций.

В настоящее время сугдествует несколько предположений об организации согласованной работы зрительной системы в мозге человека, одно из которых опирается на принцип предсказательного кодирования. В рамках этого подхода, мозг считается иерархической системой, непрерывно получающей сенсорную информацию от иерархически низших уровней и генерирующей предположения (или предсказания) о том, какая информация будет получена на иерархически более высоких уровнях. Предсказание передается на более низкие иерархические уровни при помощи обратных связей.

Таким образом, информация между мозговыми структурами передается то в одну, то в другую стоРону, формируя подобие петли обратной связи. В настоящей работе роль обратных свюей оценивалась на различных временных участках после предъявления зрительного стимула методом динамического каузального моделирования. Показано, что обратные связи возникают спустя 200-220 мс после стимула, перенося информацию с более высокого на более низкий (в первичную зрительную кору) иерархический уровень, что косвенно свидетельствует в пользу теории информационного синтеза и гипотезы предсказательного кодирования.

Научная новизна работы заключается в разработке комплексного подхода к оценке функциональной интеграции участков коры головного мозга, а также к применению этого подхода для анализа экспериментальных данных. В работе впервые показан стабильный во времени паттерн функциональной интеграции в сети по умолчанию в мозге человека, показана устойчивость модели относительно добавления и исключения шггнвных областей.

Автором обнаружены стабильные в группе испытуемых паттерны эффективных связей между четырьмя областями вентрального зрительного пути при предъявлении простых зрительных стимулов. получено косвенное подтверждение гипотез информационного синтеза и предсказательного кодирования с точки зрения информационных потоков между частями зрительной системы человека. Замечаниях работе: 1) В главе «Материалы и методы» при описании фМРТ эксперимента нет обоснования выбора длительности сканирования. В течение такого длительного эксперимента (более 30 минут) человек в сканере мог заснуть илн устать. Было бы правильнее с методологического точки зрения осуществлять объективный контроль состояния испьпуемых. 2) В главе «Материалы и методы» описаны параметры ЭЭГ эксперимента, но нет упоминаний о контроле за параметрами проводимости электродов.

Как известно, в случае плохого контакта с поверхностью головы, невозможно получить сколь-нибудь информативный сигнал ЭЭГ. Также нет упоминания о способах нахождения координат электродов на поверхности головы, необходимых для построения пространственной модели активности. 3) В главе «Экспериментальные результаты» отсутствует обоснование выбора коэффициента корреляции Спнрмена для анализа роли обратных связей. 4) Возникновение обратных связей моделируется на отрезках от 0-150 мс до 0-250мс, хотя активность записана вплоть до 1000 мс после предьявления стимула, Как известно из данных литературы, осознанное восприятие зрительного стимула занимает несколько большее время, а моторный ответ в среднем регистрируется через 400-500мс после предъявления стимула.

Было бы полезно проследить динамику модели на этих более длительных латентностях. Заключение Диссертация представляет собой актуальное и законченное исследование процессов интеграции нейрональщях популяций в мозге человека в различных условиях. В работе опробован комплексный подход к оценке интеграции— совмещение моделирования и расчета трансферной энтропии дла поиска направленных связей.

Научные положения и выводы обоснованы. Все результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, опубликованы в журналах из перечил ВАК и доложены на российских н международных конференциях. Считаю, что работа вносит заметный вклад в исследование работы мозга. Работа отвечает критериям Положения о порядке присуждения ученых степеней, предъявлаемым к кандидатским диссертациям„а Шараев МХ.

заслуживает присуждения ему ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 03.01.02 — биофизика. доктор биологических наук, главный научный сотрудник Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН Адрес: 1 ! 9991 Москва, ул. Косыгина 4 Тел, +7!495)939-7200 Семенова Наталия Александровна 15.04.201б г. Подпись Н.А. Семеновой заверяю .