Диссертация (1104396), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Использованиепарциальной спектроскопии мозга расширит возможности энцефалографическихисследований мозга. С помощью этого метода может быть построен атласпарциальных спектров, который найдёт применение в фундаментальных идиагностических исследованиях мозга. В силу общих источников происхождениясигнала, этот атлас может быть применен и в электроэнцефалографическихисследованиях.Разработаны программы для расчета многоканальных спектров по данныммагнитной энцефалографии, которые используют возможности многопоточныхвысокопроизводительных вычислений, позволяя обрабатывать большие объемыэкспериментальных данных с высокой скоростью и точностью.Изложенная в работе методика оптимизации спектров Фурье позволяетзначительноулучшитьсоотношениесигнал/шумценойнезначительногосокращения входного временного ряда, что впоследствии позволяет анализироватьособенности активности, которое были бы утрачены при очистке усреднением.Разработанные алгоритмы для эффективного расчета функциональныхтомограмм позволяют использовать высокопроизводительные параллельныевычисления, как для потокового расчета функциональных томограмм (одномодельное пространство, множество наборов экспериментальных данных), так идля расчетов с высокой разрешающей способностью (разрешающая способность –до одного миллиметра).Методологический подход, предложенный в диссертации, включает в себяпроведениенадизучаемымобъектомдвухпринципиальноразличныхэкспериментов.
Это, прежде всего, получение информации об анатомическойструктуре мозга с помощью метода магнитно-резонансной томографии. Затем тотже объект изучается методом магнитной энцефалографии, дающим информацию8о функции мозга в различных состояниях. Магнитно-резонансная томограммаразбивается на отделы головного мозга посредством аннотированной сегментации.Методом спектрального анализа строятся детальные многоканальные спектры, аиханализвфункциональнойпространстве«частота-паттерн»томограммы.Вприводитдиссертациибылкпостроениюпредложенновыйметодологический прием, состоящий в объединении данных о структуре ифункции мозга.
Результатом такого объединения стало создание методапарциальной спектроскопии головного мозга человека.На защиту выносятся следующие положения:1. Метод парциальной спектроскопии головного мозга человека.2. Алгоритмическое и программное обеспечение для вычисления парциальныхспектров активности отделов головного мозга человека.3. Парциальные спектры альфа-ритма и патологической активности мозга.4. Функциональные томограммы альфа-ритма для 10 испытуемых.5. Алгоритмическое и программное обеспечение для эффективного расчетафункциональных томограмм.6. Алгоритмы и программы для оптимизации многоканальных спектров Фурье.Все научные положения и выводы диссертации достоверны.
Достоверностьрезультатов и корректность развитых в диссертации подходов была подтвержденаверификацией на компьютерных и физических моделях. Физиологическиерезультатыхорошосогласуютсяссуществующимипредставлениямииподтверждаются независимыми научными исследованиями. Алгоритмы ипрограммы успешно прошли апробацию на экспериментальных данных ииспользуются в лабораториях Института математических проблем биологии РАН,НИЦ «Курчатовский институт» и в Центре нейромагнетизма Нью-Йоркскогоуниверситета.Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения.9В начале первого раздела дается краткое описание головного мозгачеловека, при этом делается акцент на детали, существенные для данной работы:анатомическое устройство мозга и его способность генерировать магнитное поле.Далее рассмотрены экспериментальные методы изучения мозга: магнитнорезонансная томография (МРТ), несущая информацию о пространственнойструктуре мозга; функциональная МРТ, позволяющая судить об измененияхкровотока; и магнитная энцефалография (МЭГ), регистрирующая поле надповерхностью головы.
Подробно рассмотрены характеристики биомагнитныхполей, измерительные приборы и средства защиты от внешних магнитных полей.В данной работе магнитная энцефалография является основным средствомизучения функции мозга.Второй раздел посвящен спектральным методам анализа данных магнитнойэнцефалографии, которые лежат в основе подхода, предложенного в диссертации.Рассмотреныосновныевычислительныеособенностиэтогоподхода,заключающиеся в вычислении спектров на всем интервале времени экспериментас использованием параллельных вычислений.
Проведен сравнительный анализданных, полученных на разных приборах, разработан метод тонкой подстройкичастоты, позволяющий изучать активность мозга в условиях сильных магнитныхпомех. Созданные алгоритмы и программы легли в основу метода функциональнойтомографии, позволяющего реконструировать пространственное распределениеисточников активности мозга по внешнему магнитному полю.В третьем разделе излагается основной принцип метода функциональнойтомографии и решается задача локализации альфа-ритма для десяти наборовэкспериментальных данных, полученных на здоровых добровольцах. Наборданных включает в себя данные МЭГ и МРТ, полученные на данном субъекте.
Приэтом метод предварительно верифицируется на компьютерной модели множестваисточников, а также на физическом фантоме, включающем три токовых диполя,работающих одновременно.Четвертый раздел решает основную задачу, поставленную в работе:построение и исследование парциальных спектров головного мозга. Рассмотрены10основные алгоритмы и методы, позволяющие совместно использовать данные двухразличных экспериментов: магнитно-резонансной томографии и магнитнойэнцефалографии. Построены парциальные спектры спонтанной активности мозга внорме и при некоторых патологиях. Сделаны выводы о том, что этим спектрамприсущи признаки, позволяющие говорить о перспективности их использования вдиагностических целях.В Заключении перечислены основные результаты диссертационной работы,сделаны выводы, даны рекомендации по практическому применению парциальнойспектроскопии и намечены пути ее дальнейшего развития.111. Головной мозг человека и экспериментальные методы егоизучения1.1 Головной мозг и генерируемые им сигналы1.1.1 Анатомическая структура мозга и функции его разделовГоловной мозг человека состоит из трех основных структурных разделов:большого мозга, ствола мозга и мозжечка [9].
В основании мозга находится стволмозга, соединяющий верхнюю часть шейного отдела спинного мозга спромежуточным мозгом. Ствол состоит из продолговатого мозга, варолиева мостаи среднего мозга. Позади ствола расположен мозжечок.Рисунок 1.1 Отделы и структуры головного мозга. 1 - лобная доля; 2 - роландоваборозда; 3 - теменная доля; 4 - сильванова борозда; 5 - затылочная доля;6 - височная доля; 7 - варолиев мост; 8 – мозжечок; 9 - спинной мозг.12Большой мозгБольшой мозг – крупнейший компонент мозга. Он разделен на дваполушария, связанных между собой мозолистым телом – сплетением нервныхволокон.
Каждое из полушарий разделено на 4 доли: лобную долю, теменнуюдолю, височную долю и затылочную долю.Лобная доля отделена от теменной доли центральной бороздой (Роландоваборозда). Височная доля отделена от лобной и теменной долей латеральнойбороздой (Сильванова борозда). Теменная и затылочная доля разделены теменнозатылочной бороздой.Большой мозг также делится на конечный мозг и промежуточный мозг.Конечный мозг состоит из коры, белого вещества и базальных ядер.Промежуточный мозг состоит из таламуса и гипоталамуса.КораКора большого мозга покрывает поверхность полушарий и образует большоеколичество различных по глубине и протяжённости борозд.
Между бороздамирасположеныразличнойвеличиныпространственное устройствоизвилиныбольшогомозга.Такоепозволяет уложить в минимальныйобъемповерхность с максимальной площадью.Кора состоит из 6 слоев:1. Молекулярный слой коры содержит небольшое количество мелкихассоциативных клеток веретеновидной формы. Их аксоны проходятпараллельно поверхности мозга в составе тангенциального сплетениянервных волокон молекулярного слоя.
Основная масса волокон этогосплетения представлена ветвлениями дендритов нейронов нижележащихслоёв.2. Внешний гранулярный слой слой образован мелкими нейронами диаметромоколо 10 мкм, имеющими округлую, угловатую и пирамидальную форму, извёздчатыминейронами.Дендритыэтихклетокподнимаютсяв13молекулярный слой. Аксоны или уходят в белое вещество, или, образуя дуги,также поступают в тангенциальное сплетение волокон молекулярного слоя.3. Внешний пирамидный слой состоит из мелких пирамидных клеток. Спомощьюихиклетоквторогослояпроисходитобразованиемежкортикальных связей, т.е.
связей между различными областями коры.4. Внутренний гранулярный слой образован мелкими звёздчатыми нейронами,на которых образуют синапсы аксоны переключающих и ассоциативныхнейронов таламуса. Сюда поступает вся информация от периферическихрецепторов. В его состав входит большое количество горизонтальныхволокон.5. Внутренний пирамидный слой.
Обычно является наиболее развитым,содержиткрупныепирамидныеклеткиаксоныкоторыхобразуютнисходящие пирамидные пути, направляющиеся в продолговатый и спинноймозг. В области моторной коры в этом слое располагаются так называемыклетки Беца.6. Слойполиморфныхклеток.Образованнейронамиразличной,преимущественно веретенообразной формы. Внешняя зона этого слоясодержит более крупные клетки. Нейроны внутренней зоны мельче и лежатна большом расстоянии друг от друга.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
