Обнаружение и моделирование переключений между режимами электрической активности головного мозга по данным магнитной энцефалографии (1104175)
Текст из файла
на правах рукописиПАНКРАТОВА НАТАЛЬЯ МИХАЙЛОВНАОБНАРУЖЕНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕПЕРЕКЛЮЧЕНИЙ МЕЖДУ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙАКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПО ДАННЫММАГНИТНОЙ ЭНЦЕФАЛОГРАФИИСпециальность: № 03.01.02 – БиофизикаАвтореферат диссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2015Работа выполнена в Отделе перспективных информационныхтехнологий Федерального государственного бюджетного учреждениянауки Институт математических проблем биологии Российскойакадемии наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,Устинин Михаил Николаевичофициальные оппоненты:Обухов Юрий Владимирович, доктор физико-математических наук,Институт радиотехники и электроники им.
В.А. Котельникова РАН,заведующий лабораторией методов применения ЭВМ в научныхисследованиях.Попова Ирина Юрьевна, кандидат биологических наук, Институттеоретической и экспериментальной биофизики РАН, старшийнаучный сотрудникведущая организация:Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»Защита состоится __________________________________________________________(дата, время)на заседании диссертационного совета Д 501.002.11 при Московскомгосударственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу:119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 2, физическийфакультет МГУС диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогогосударственного университета имени М.В.ЛомоносоваАвтореферат разослан _________________________________________(дата)Ученый секретарьдиссертационного советакандидат технических наукСидорова Алла Эдуардовна.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования:В данной работе проводилось исследование электрическойактивности головного мозга по магнитному полю, регистрируемомуна поверхности головы.
В решении этой задачи большие надеждывозлагаются на магнитную энцефалографию (МЭГ). Установкимагнитнойэнцефалографиистроятсясиспользованиемвысокочувствительных физических приборов – СКВИДов (SQUID -сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик), которыепозволяют измерять даже очень слабое магнитное поле наповерхности головы с высокой точностью. Сотни каналов и высокаячастота регистрации дают возможность получать подробноепространственно-временное распределение поля на поверхностиголовы.Предполагается, что избавление от внешних, по отношению кмозгу, магнитных полей обеспечивается условиями регистрации МЭГ:экранирование установки и конфигурация датчиков.
Шумы от работысердца, дыхания и других систем организма устраняются в ходепредварительной обработки полученных данных с помощьюфильтрации всех частот меньше 1 Гц. При анализе данных МЭГпроизводится выделение полезного сигнала на фоне общейспонтанной активности мозга, а затем решается обратная задача, т.е.по магнитному полю определяется расположение электрическихисточников на магниторезонансной томограмме головного мозгаиспытуемого.Довольно часто в энцефалографии искомый сигнал на порядокслабее спонтанной активности и лежит в той же полосе частот. Какправило, для выделения сигналов малой амплитуды используютсялибо внешние проявления патологической активности, например,запись миограммы при паркинсоническом треморе, либо записьстимула при экспериментах с вызванной активностью. По этимданным определяются опорные точки, по которым полезный сигналвыделяется усреднением. Этот подход доказал свою эффективность вомногих экспериментах и широко используется в энцефалографии.Однако остается проблема выделения полезного сигнала приобработке данных, снятых у пациентов с какой-либо патологией приотсутствии объективной информации о моментах ее проявления.Необходимо также и создание методики обнаружения патологическойили другой искомой активности, автоматизирующей работуклинициста.В данной работе проводилось исследование особенностейэлектрической активности головного мозга у пациентов с патологией3тиннитус.
Под патологией тиннитус подразумеваются слуховыеощущения, возникающие в ухе или голове без очевидных внешнихраздражителей – субъективный шум. На экспериментальных записяхспонтанной активности с данной патологией были отмеченыкратковременные промежутки с резким возрастанием амплитудымагнитного поля и частоты. Была поставлена задача выяснениявозможного механизма возникновения обнаруженного режима,качественно отличающегося от фоновой активности.Цель работы:Целью работы является выяснение механизма переключениямежду режимами на записях магнитной энцефалографии головногомозга.Задачи исследования:1. Изучение специфики электрической активности головного мозгапри патологии тиннитус.2. Создание методики выделения активности, отвечающейзаданному пространственному распределению магнитного поля,на фоне общей спонтанной активности мозга без использованиявнешней информации о моментах возникновения искомогосигнала.3.
Математическое описание процесса переключения междурежимами, наблюдаемыми на экспериментальных данных МЭГпри патологии тиннитус.Методы исследования:Обработка экспериментальных данных проводилась сиспользованием спектральных методов - разложения в ряды Фурье ивосстановления сигналов по гармоникам, построения ортогональныхпространственных базисов Карунена-Лоэва (метод главныхкомпонент), стохастических характеристик временных рядов.Построение и анализ математических моделей основывались накачественных методах исследования динамических систем.В работе использовались программный комплекс MEGMRIAN –графическая среда для визуализации и анализа магниторезонансныхтомограмм (МРТ) головного мозга и магнитоэнцефалограмм (МЭГ);преобразование Фурье с шириной окна, равной длине всегоэкспериментального ряда, с возможностью восстановления сигнала погармоникам; CONTENT – программа для численного исследованиядинамических систем; FRACTAN – программа для вычислениякорреляционной размерности временных рядов.4Научная новизна:1.
Обнаружен эффект смены режимов в экспериментальныхданных с патологией тиннитус, характеризующийсяупрощением динамики поведения и картины магнитногополя с локализацией источника активности в слуховую зонукоры головного мозга.2. Разработана методика обнаружения сигнала на фоне общейспонтанной активности, основанная на разложенииКарунена-Лоэва,проецированииэкспериментальногомассива на предполагаемый пространственный признак иусреднении.3. Построены математические модели качественного описанияпереключения между режимами для случаев автономной инеавтономной системы.Теоретическая и практическая значимость:Обнаруживаемый на экспериментальных данных с патологиейтиннитус высокочастотный режим с локализацией источника вслуховую зону коры показывает возможность связи этой патологии свисочной эпилепсией.
В противном случае, наличие симптомовтиннитуса в отсутствии высокочастотного режима на записях МЭГ суказанной локализацией, вероятно, свидетельствует об иной природепатологии и требует дальнейшего обследования. Этот феноменпоказывает диагностическую значимость высокочастотной областиэкспериментальных данных энцефалографии.Выделениеслабойпериодическойсоставляющейизпротяженных временных рядов с помощью преобразования Фурье сшириной окна равной длине всего эксперимента можетиспользоваться как альтернатива методу выделения сигналаусреднением, в частности в экспериментах с вызванным потенциалом.Методика выделения сигнала из многоканальных данныхбольшого объема может эффективно использоваться при анализеэкспериментальных данных не только в энцефалографии, но и вдругих случаях, когда данные имеют четкую пространственновременную структуру.
Предложенный алгоритм решает проблемуотыскания опорных точек для усреднения при отсутствии внешнейинформации о моментах происхождения активности, отвечающейзаданному пространственному распределению магнитного поля.Модель с параметрическим переключением (автономнаясистема) описывает механизм перехода от одного режимафункционирования к другому в результате большого диапазонаколебаний управляющих параметров системы, физический смыслкоторых может соответствовать концентрациям нейротрансмиттеров.Модель со специфическим переключением (неавтономная система)5между режимами демонстрирует эффект, известный в клиническойпрактике как рефлекторная эпилепсия.Обе модели, построенные в работе, используются в рамкахкурса «Математические модели в биологии» в учебном центрематематической биологии Пущинского государственного естественнонаучного института (ПущГЕНИ).Апробация работы:РезультатыдиссертациидокладывалисьнаV-ойМеждународной конференции «Математическая биология ибиоинформатика»(г.Пущино, 2014),10-оймеждународнойконференции «Интеллектуализация обработки информации» (Греция,2014), 9-ой международной конференции «Интеллектуализацияобработки информации» (Черногория, 2012), IV-ой Международнойконференции «Математическая биология и биоинформатика»(г.Пущино,2012),15-ойВсероссийскойконференции«Математические методы распознавания образов» (г.Петрозаводск,2011), III-ей Международной конференции «Математическаябиология и биоинформатика» (г.Пущино, 2010), 8-ой международнойконференции«Интеллектуализацияобработкиинформации»(Республика Кипр, г.Пафос, 2010), XII-ой Всероссийской научнотехнической конференции "Нейроинформатика-2010" (г.Москва,2010), 14-ой Всероссийской конференции "Математические методыраспознавания образов".
(г.Суздаль, 2009), II Международнойконференции «Математическая биология и биоинформатика»(г.Пущино,2008),13-ойВсероссийскойконференции«Математические методы распознавания образов» (г.Зеленогорск,2007), I-ой Международной конференции «Математическая биологияи биоинформатика» (г.Пущино, 2006), Конференции «Нелинейныймир» (г.Нижний Новгород, 2005), Международной конференции«Математика. Компьютер. Образование.» (г.Пущино, 2005), 7-ойПущинской школе-конференции молодых ученых (г.Пущино, 2003),5-ом Международном конгрессе по математическому моделированию(г.Дубна, 2002), 5-ой Пущинской конференции молодых ученых(г.Пущино, 2001), Международной конференции "Математика.Компьютер.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
