Частотно-временной анализ нейрофизиологических данных. Методы исследований в когнитивной нейронауке. (Лекция 3) презентация

Ключевые разделы лекции
Сравнительный обзор методов регистрации
Магнитно-резонансная томография
Электроэнцефалография
Магнитоэнцефалография
Транскраниальная электростимуляция
Транскраниальная магнитостимуляция

Сравнительный обзор методов регистрации

Магнитно-резонансная томография

Магнитно-резонансная томография. Принципы
Ядерный магнитный резонанс:
Ядра с ненулевым спином
Внешнее магнитное поле
Прецессия на определенной частоте (зависит от окружения ядер и силы внешнего магнитного поля)
Радиочастотный импульс на частоте прецессии

Магнитно-резонансная томография. Анализ
Коррекция движений головы
Ко-регистрация
Нормализация Сглаживание
Сбор данных
Предобработка
Анализ данных

Структурная МРТ
Контраст тканей зависит от содержания воды и окружения протонов
Высокое пространственное разрешение
Подробная анатомическая информация
Используется как структурный “шаблон” для данных, полученных в фМРТ

Функциональная МРТ
Carhart-Harris et al., 2016
Основан на BOLD (Blood-oxygenation-level dependent contrast)
Активация определенных зон мозга приводит к локальному увеличению пропорции оксигемоглобина (диамагнетик) по отношению к дезоксигемоглобину (парамагнетик), что приводит к временному изменению магнитных свойствах ткани
Возможность косвенно оценить изменение активности различных зон мозга

Диффузионно-тензорная МРТ
Измерение диффузии молекул воды
Трактография
Построение коннектомов

Электроэнцефалография. Принципы
Регистрация электрической активности мозга
Электроды расположены на поверхности головы
Регистрация суммарной электрической активности большого количества нейронов
Регистрируемая электрическая активность преимущественно связана с постсинаптическими потенциалами, а не с потенциалами действия

Электроэнцефалография. Принципы
Выраженный источник электрической активности, регистрируемой ЭЭГ – пирамидные клетки коры мозга
Для регистрации сигнала необходимо большое количество синхронно активирующихся клеток

Электроэнцефалография. Анализ

Электроэнцефалография. Анализ
Прямая задача: зная расположение источника, определить распределение электрического поля по скальпу (решается однозначно)
Обратная задача: зная распределение электрического поля, определить расположение источника (нет определенного решения)

Магнитоэнцефалография
Регистрация магнитных полей
Временное разрешение такое же, как у ЭЭГ, но пространственное разрешение гораздо выше
Позволяет регистрировать высокие частоты
(гамма и выше)
Дорогостоящий и сложный метод

Магнитоэнцефалография. Применение

Неинвазивная стимуляция мозга
Транскраниальная Магнитная Стимуляция
(ТМС)
Транскраниальная Электрическая Стимуляция
(ТЭС)

Транскраниальная электрическая стимуляция. Виды
Стимуляция переменным током
Стимуляция “случайным шумом”
Стимуляция постоянным
электрическим током

Стимуляция постоянным током. Принципы
- - -
+ + +
Анод
Катод
Ионы (Ca2+, Na+, K+, Cl-)
Заряженные частицы

Изменение концентрации ионов
Изменение потенциала покоя
Стимуляция постоянным током. Принципы

Эффект зависит от полярности
Оффлайн-эффект
Краткосрочный эффект
Изменение моторного порога (показатель возбудимости) после катодной и анодной стимуляции
Стимуляция постоянным током. Эффекты

Неинвазивная стимуляция мозга. ТМС vs ТЭС

Транскраниальная электрическая стимуляция. Виды
Стимуляция постоянным током
Стимуляция “случайным шумом”
Стимуляция переменным током

Стимуляция переменным токов| Принципы
Эффект зависит от частоты стимуляции
Эффект зависит от состояния индивида
Онлайн-эффект

Транскраниальная электрическая стимуляция. Применение
Модуляция (возбуждение или ингибирование) определенных зон коры мозга –
изменения в поведении индивида
“Neuroenhancement” – временное улучшение когнитивных способностей

Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы
Распределение интенсивности электрического поля зависит от формы катушки
Электрический ток в катушке
Магнитное поле, проникающее под скальп
Электрический ток в мозге

В отличие от ТЭС, ТМС не просто модулирует, но индуцирует активацию нейронов (вызывает потенциалы действия в аксонах)
Следовательно, в зависимости от архитектуры конкретных участков коры результат стимуляции может отличаться
Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы

Транскраниальная магнитная стимуляция. Разновидности и эффекты
ТМС единичными импульсами
ТМС парными импульсами – позволяет оценить локальный баланс возбуждения/торможения:
SICI (1-6 мс) – зависит от ГАМКА-рецепторов
LICI (50-200 мс) – зависит от ГАМКB-рецепторов
IСF (6-20 мс) – глутамат
Ритмическая ТМС – эффект зависит от частоты стимуляции:
Выше 1 Гц – возбуждение
Ниже 1 Гц – торможение
Другие вариации – theta-burst стимуляция и др.

ТМС единичными импульсами – “проба” для оценки возбудимости (M1/V1)
Амлитуда МВП, μV
Время, мс
Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы