RU2652898C1 - Method for investigation of brain activity according to fmrt data - Google Patents

Method for investigation of brain activity according to fmrt data Download PDF

Info

Publication number
RU2652898C1
RU2652898C1 RU2016149614A RU2016149614A RU2652898C1 RU 2652898 C1 RU2652898 C1 RU 2652898C1 RU 2016149614 A RU2016149614 A RU 2016149614A RU 2016149614 A RU2016149614 A RU 2016149614A RU 2652898 C1 RU2652898 C1 RU 2652898C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
brain
factor
values
solving
Prior art date
Application number
RU2016149614A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Валентинович Вартанов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2016149614A priority Critical patent/RU2652898C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2652898C1 publication Critical patent/RU2652898C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/055Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves  involving electronic [EMR] or nuclear [NMR] magnetic resonance, e.g. magnetic resonance imaging

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to medicine, particularly to methods for investigation of brain activity. Method for investigation of brain comprises functional MRI recording of brain activity in the process of solving by the study subject at least three problems designed to investigate certain factors by using different stimuli, and obtaining a series of images of the values of the MP signal in time for each problem, cleaning the obtained images from artifacts and their standardization, forming, based on the processed images, a two-dimensional space-time matrix of the MR signal intensity (Z) values with normalization of its values, each column of the matrix characterizes a certain brain voxel, and each line characterizes the data obtained during the next brain scanning in the course of solving a particular problem by the study subject, factoring the resulting matrix by means of factor analysis, during which the matrix of coefficients of correlation R is calculated for all lines of the normalized intensity matrix, then its eigenvalues and eigenvectors are determined, on the basis of them factor load matrix (A), orthogonal rotation of factor load matrix (A) are formed, and obtaining matrix A(rot) characterizing the dynamics of each factor in time for each problem, and a meaningful interpretation of factors as separate independent elementary mental processes involved in solving presented problems, obtaining factor value matrix P on the basis of intensity value matrix (Z) and the matrix of factor loads after rotation A(rot), which characterizes the localization of each factor in the space of the brain and according to which a brain composition of the given functional system providing elementary mental processes, involved in solving the original problems, are judged, obtaining a linear mathematical model that is a neuroimaging model reflecting the formed functional brain systems that ensure the person's performance of a corresponding set of cognitive tasks.
EFFECT: use of the invention provides simultaneous characterization and interpretation of functional brain systems.
3 cl, 2 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Изобретение относится к области медицины и нейронаукам, в частности к способу исследования мозговой активности по данным функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Изобретение может быть использовано в качестве инструмента научных исследований при исследованиях нейрокогнитивного функционирования человека в норме и при различных заболеваниях посредством визуализации систем мозговой активности в ходе решения человеком различных когнитивных задач.The invention relates to medicine and neuroscience, in particular to a method for studying brain activity according to functional magnetic resonance imaging (fMRI). The invention can be used as a research tool in studies of the neurocognitive functioning of a person in normal conditions and in various diseases through visualization of brain activity systems in the course of solving various cognitive tasks by a person.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Одной из самых важных проблем картирования мозга и нейровизуализации когнитивного функционирования человека является отсутствие формального метода (и соответствующих компьютерных средств) непосредственной интеграции экспериментальных данных в единой модели. Существующие методы позволяют визуализировать мозговую активность лишь в ходе выполнения человеком отдельных задач, но при этом всегда актуализируется сразу комплекс взаимосвязанных когнитивных процессов. Не существует такой когнитивной задачи, для решения которой, например, потребовалась бы исключительно только память без актуализации процессов восприятия, принятия решения и контроля, осознания и эмоциональной оценки. В результате оказывается, что и визуализируется всегда сразу смесь нескольких различных систем активности мозга, а вычленение отдельных процессов является уже сложной «метазадачей», решаемой путем попарного перебора и сопоставления результатов визуализации для соответствующих задач. Между тем потребность в разделении сигналов фМРТ выражена в предложении различных методов, которые, однако, не решают основную проблему визуализации.One of the most important problems of brain mapping and neuroimaging of a person’s cognitive functioning is the lack of a formal method (and appropriate computer tools) for direct integration of experimental data into a single model. Existing methods make it possible to visualize brain activity only during a person’s individual tasks, but at the same time a complex of interconnected cognitive processes is always updated immediately. There is no such cognitive task, for the solution of which, for example, only memory would be required without actualizing the processes of perception, decision making and control, awareness and emotional assessment. As a result, it turns out that a mixture of several different systems of brain activity is always visualized immediately, and isolating individual processes is already a complex “meta-task”, solved by pairwise enumeration and comparison of visualization results for the corresponding tasks. Meanwhile, the need for fMRI signal separation is expressed in the proposal of various methods, which, however, do not solve the main problem of visualization.

Так из уровня техники - US 2001031917 А1 (МПК А61В 5/05; опубл. 18.10.2001) известен способ анализа фМРТ сигнала для формирования нелинейной функции, позволяющий разделить сигнал на две части, одна из которых может считаться полезным сигналом, а другая - шумом. При этом также предполагается, что мозговая активность, регистрируемая по сигналу фМРТ, может быть составной, содержать реакцию на следующий стимул, которая может накладываться на реакцию предыдущего стимула. Иными словами, метод направлен на визуализацию реакции сразу на несколько стимулов, предъявление которых перекрывается по времени. При этом, однако, предполагается выделять сигналы для отдельных вокселей или заранее выделенных мозговых локусов области интереса. Кроме того, выделение базисных векторов, описывающих мозговую активность при выполнении разных задач в данном способе используется не для визуализации системы мозговой активности, а только для выявления бинарной функции отсечения "активных" и "неактивных" вокселей с локальной целью моделирования сложной функции, описывающей мозговую активность при одновременном действии нескольких стимулов в каждом отдельном вокселе.So from the prior art - US 2001031917 A1 (IPC A61B 5/05; publ. 18.10.2001) there is a method of analyzing the fMRI signal for the formation of a nonlinear function, which allows you to divide the signal into two parts, one of which can be considered a useful signal, and the other - noise . It is also assumed that the brain activity recorded by the fMRI signal may be composite, contain a reaction to the next stimulus, which may overlap with the reaction of the previous stimulus. In other words, the method is aimed at visualizing the reaction to several stimuli at once, the presentation of which overlaps in time. In this case, however, it is proposed to isolate signals for individual voxels or pre-allocated brain loci of the region of interest. In addition, the selection of basis vectors describing brain activity when performing various tasks in this method is not used to visualize the brain activity system, but only to identify the binary function of cutting off “active” and “inactive” voxels with the local goal of modeling a complex function that describes brain activity with the simultaneous action of several stimuli in each individual voxel.

Из уровня техники - US 9072496 В2 (МПК А61В 5/00; опубл. 07.07.2015) известны система и способ анализа фМРТ изображений, который включает сбор 4-D данных для испытуемого и вычисления корреляционной матрицы по временному ряду между всеми вокселями мозга с целью последующего анализа значимости корреляций и использования бинарной матрицы для кластеризации и построения классификатора объединенных данных (по испытуемым и функциональным нагрузкам). Однако данный способ решает именно задачу классификации, а не выделение систем и визуализацию их мозговой активности.The prior art - US 9072496 B2 (IPC A61B 5/00; publ. 07/07/2015) known system and method for analyzing fMRI images, which includes collecting 4-D data for the subject and calculating the correlation matrix in the time series between all voxels of the brain with the aim a subsequent analysis of the significance of correlations and the use of a binary matrix for clustering and constructing a classifier of combined data (for test and functional loads). However, this method solves the classification problem, rather than isolating systems and visualizing their brain activity.

Технической проблемой является:The technical problem is:

создание способа исследования мозговой активности, который позволяет по данным фМРТ получить данные, отражающие: а) выполнение человеком ряда когнитивных задач, формирующих различные функциональные мозговые системы и б) мозговое распределение (трехмерную визуализационную карту) активности для каждой из выделенных функциональных систем.creating a method for studying brain activity, which allows using fMRI data to obtain data that reflects: a) a person’s performance of a number of cognitive tasks that form various functional brain systems and b) brain distribution (three-dimensional visualization map) of activity for each of the selected functional systems.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в обеспечении возможности одновременной характеристики функциональных мозговых систем, соответствующих элементарным когнитивным процессам, и интерпретации этих функциональных мозговых систем с точки зрения участия в когнитивном функционировании. Заявляемый способ позволяет выявить взаимосвязи изменения активности каждого конкретного вокселя (локуса) мозга не только с изменением нагрузки в соответствующих когнитивных тестах, но и с активностью других вокселей (локусов) мозга, что в свою очередь позволяет выделить с помощью факторного анализа базовые составляющие, которые можно рассматривать как элементарные функциональные мозговые системы.The technical result achieved by using the invention is to enable the simultaneous characterization of functional brain systems corresponding to elementary cognitive processes, and the interpretation of these functional brain systems from the point of view of participation in cognitive functioning. The inventive method allows to identify the relationship of changes in the activity of each particular voxel (locus) of the brain, not only with the change in load in the corresponding cognitive tests, but also with the activity of other voxels (loci) of the brain, which in turn allows you to select the basic components using factor analysis that can considered as elementary functional brain systems.

Технический результат достигается за счет способа исследования мозговой активности, включающегоThe technical result is achieved due to the method of studying brain activity, including

- фМРТ регистрацию мозговой активности в процессе решения объектом исследования по меньшей мере трех задач, предназначенных для исследования определенных факторов с использованием различных стимулов, и получение серии изображений значений MP-сигнала во времени по каждой задаче;- fMRI registration of brain activity in the process of solving by the object of study at least three tasks intended for the study of certain factors using various stimuli, and obtaining a series of images of the MP signal values in time for each task;

- очистку полученных изображений от артефактов и приведение их к стандартному виду;- cleaning the received images from artifacts and bringing them to a standard form;

- формирование на основе обработанных изображений двумерной пространственно-временной матрицы значений интенсивностей (Z) МР-сигнала с нормализацией ее значений, при этом каждый столбец матрицы характеризует определенный воксель мозга, а каждая строка характеризует данные, полученные при очередном сканировании мозга в ходе решения объектом исследования определенной задачи;- the formation on the basis of processed images of a two-dimensional space-time matrix of values of intensities (Z) of the MR signal with the normalization of its values, each column of the matrix characterizes a specific voxel of the brain, and each row characterizes the data obtained during the next brain scan in the course of solving by the object of study a specific task;

- факторизацию полученной матрицы средствами факторного анализа, в процессе которой вычисляют матрицу коэффициентов корреляции R по всем строкам нормализованной матрицы интенсивностей, после чего определяют ее собственные значения и собственные вектора, на основе которых формируют матрицу факторных нагрузок (А);- factorization of the obtained matrix by means of factor analysis, during which the matrix of correlation coefficients R is calculated for all rows of the normalized intensity matrix, after which its eigenvalues and eigenvectors are determined based on which the matrix of factor loads (A) is formed;

- ортогональное вращение матрицы факторных нагрузок (А) различными способами с целью, например, найти простую структуру данных или привести к заранее заданному виду и получить матрицу A(rot), характеризующую динамику каждого фактора во времени по каждой задаче, и содержательную интерпретацию факторов в качестве отдельных независимых элементарных психических процессов, задействованных при решении предъявленных задач;- orthogonal rotation of the factor load matrix (A) in various ways, for example, to find a simple data structure or to bring it to a predetermined form and obtain a matrix A (rot) characterizing the dynamics of each factor in time for each task, and a meaningful interpretation of factors as separate independent elementary mental processes involved in solving the problems presented;

- получение матрицы факторных значений Р на основе матрицы значений интенсивности (Z) и матрицы факторных нагрузок после вращения A(rot), которая характеризует локализацию каждого фактора в пространстве мозга и по которой судят о мозговом составе данной функциональной системы (задействованных локусов мозга), обеспечивающих элементарные психические (нейрокогнитивные) процессы, включенные в решение исходных задач;- obtaining a matrix of factor values of P based on a matrix of intensity values (Z) and a matrix of factor loads after rotation A (rot), which characterizes the localization of each factor in the space of the brain and by which one judges the brain composition of this functional system (involved brain loci) that provide elementary mental (neurocognitive) processes included in the solution of initial problems;

- получение линейной математической модели, представляющей собой нейровизуализационную модель, отражающую сформированные функциональные мозговые системы, обеспечивающие выполнение человеком соответствующего ряда когнитивных задач.- obtaining a linear mathematical model, which is a neuroimaging model that reflects the formed functional brain systems that ensure that a person fulfills the corresponding series of cognitive tasks.

Задачи, решаемые объектом исследования, обеспечивают возможность задействования нескольких различных психических процессов объекта исследования.The tasks solved by the object of study provide the possibility of involving several different mental processes of the object of study.

Нормализацию возможно осуществить по всем задачам одновременно или по каждой задаче отдельно, при этом в процессе нормализации определяют среднее арифметическое значение соответственно по каждому столбцу матрицы интенсивности или каждому столбцу каждой задачи, после чего полученное значение вычитают из соответствующих значений интенсивностей этого же столбца.Normalization can be performed for all tasks simultaneously or for each task separately, while in the normalization process, the arithmetic mean value is determined respectively for each column of the intensity matrix or each column of each task, after which the obtained value is subtracted from the corresponding intensities of the same column.

Двумерную пространственно-временную матрицу возможно оптимизировать посредством удаления неинформативных вокселей, характеризуемых критической величиной дисперсии и их анатомическим расположением.A two-dimensional space-time matrix can be optimized by removing uninformative voxels characterized by a critical dispersion and their anatomical location.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

На фиг. 1 и 2 изображены схемы, иллюстрирующие заявляемый способ.In FIG. 1 and 2 are diagrams illustrating the inventive method.

Обозначения на фиг. 1 и 2 означают следующее:The notation in FIG. 1 and 2 mean the following:

n - количество столбцов в матрице, равное числу анализируемых вокселей мозга;n is the number of columns in the matrix equal to the number of analyzed voxels of the brain;

k - число выделяемых факторов;k is the number of factors allocated;

m - количество строк в матрице, равное произведению числа сканов фМРТ в одной задаче, на число задач;m is the number of rows in the matrix, equal to the product of the number of fMRI scans in one task, by the number of tasks;

Z - исходная матрица;Z is the original matrix;

Z' - транспонированная исходная матрица;Z 'is the transposed original matrix;

А - матрица факторных нагрузок;A - matrix of factor loads;

А' - транспонированная матрица факторных нагрузок;A 'is the transposed matrix of factor loads;

N - количество экспериментальных задач;N is the number of experimental tasks;

A(rot) - матрица, полученная после ортогонального вращения матрицы факторных нагрузок (А);A (rot) - matrix obtained after orthogonal rotation of the factor load matrix (A);

Р - матрица значений факторов;P - matrix of values of factors;

R - матрица коэффициентов корреляции.R is the matrix of correlation coefficients.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Под термином «задача» в данной заявке понимается: 1) отраженная в сознании или объективированная в знаковой модели проблемная ситуация, содержащая данные и условия, которые необходимы и достаточны для ее разрешения наличными средствами знания и опыта; 2) форма структурирования и представления экспериментального материала в исследованиях процессов познания и практической деятельности.The term “task” in this application means: 1) the problem situation reflected in the consciousness or objectified in a symbolic model, containing data and conditions that are necessary and sufficient for its resolution in cash with knowledge and experience; 2) the form of structuring and presentation of experimental material in studies of cognitive processes and practical activities.

Под термином «фактор» в данной заявке понимается понятие математической статистики, означающее общую причину многих случайных изменений совокупности величин переменных, событий и пр. Фактор интерпретируют как отдельный независимый элементарный психический (нейрокогнитивный) процесс, задействованный при решении предъявленных задач, например восприятие определенного типа изображения, извлечение из памяти зрительного образа и т.п.The term “factor” in this application refers to the concept of mathematical statistics, which means the common cause of many random changes in the totality of variables, events, etc. The factor is interpreted as a separate independent elementary mental (neurocognitive) process involved in solving the problems presented, for example, the perception of a certain type of image extracting a visual image from the memory, etc.

Под термином «факторный анализ» в данной заявке понимается многомерный метод, применяемый для изучения взаимосвязей между значениями переменных. Предполагается, что известные переменные зависят от меньшего количества неизвестных переменных и случайной ошибки. Факторный анализ позволяет решить две важные проблемы исследования: описать объект измерения всесторонне и в то же время компактно. С помощью факторного анализа возможно выявление скрытых переменных - факторов, отвечающих за наличие линейных статистических корреляций между наблюдаемыми переменными (URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B0%D0%BD%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%B7). Факторный анализ - математико-статистический метод, который позволяет найти искомую систему психических (нейрокогнитивных) процессов, скрытых от непосредственного наблюдения, которые задействованы при решении человеком соответствующих задач.The term "factor analysis" in this application refers to a multidimensional method used to study the relationships between the values of variables. Known variables are assumed to depend on fewer unknown variables and random error. Factor analysis allows us to solve two important research problems: to describe the measurement object comprehensively and at the same time compactly. Using factor analysis, it is possible to identify hidden variables - factors responsible for the presence of linear statistical correlations between observed variables (URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%BA%D1% 82% D0% BE% D1% 80% D0% BD% D1% 8B% D0% B9_% D0% B0% D0% BD% D0% B0% D0% BB% D0% B8% D0% B7). Factor analysis is a mathematical-statistical method that allows you to find the desired system of mental (neurocognitive) processes that are hidden from direct observation, which are involved in solving a person's corresponding tasks.

Под термином «содержательная интерпретация» в данной заявке понимается научная интерпретация, в которой модель является теоретической и объяснение представляет собой характеристику действительности.The term "meaningful interpretation" in this application refers to a scientific interpretation in which the model is theoretical and the explanation is a characteristic of reality.

Под термином «стимул» в данной заявке понимается: 1) воздействие, обусловливающее динамику психических состояний индивида и находящееся с ней в причинно-следственных отношениях; 2) это побуждение, эффект которого опосредствован психикой человека, его взглядами, чувствами, настроением, интересами, стремлениями и т.д. В эксперименте задается в виде зрительных, слуховых, тактильных и др. воздействий. В качестве стимулов могут выступать отдельные предметы, действия других людей, обещания, носители обязательств и возможностей, предоставляемые возможности и многое другое, что может быть предложено человеку в компенсацию за его действия или что он желал бы получить в результате определенных действий.The term "stimulus" in this application is understood to be: 1) the effect that determines the dynamics of the mental states of the individual and is in a causal relationship with it; 2) this is an impulse, the effect of which is mediated by the human psyche, his views, feelings, mood, interests, aspirations, etc. In the experiment, it is set in the form of visual, auditory, tactile, and other influences. Incentives can be individual objects, actions of other people, promises, carriers of obligations and opportunities, opportunities provided, and much more that can be offered to a person in compensation for his actions or that he would like to receive as a result of certain actions.

Модальность (по отношению к стимулам) - воспринимаемых определенными органами чувств (зрением, слухом, осязанием, на вкус, по запаху).Modality (with respect to stimuli) - perceived by certain senses (vision, hearing, touch, taste, smell).

Под термином «стандартный вид» в данной заявке понимается такая ориентация и масштаб получаемых в эксперименте изображений (срезов) мозга, которая наилучшим образом совпадает с соответствующим изображением (срезом) определенного атласа мозга (обычно используют атлас MNI или атлас Талейраха (https://en.wikipedia.org/wiki/Talairach_coordinates)).The term "standard view" in this application refers to the orientation and scale of the images (slices) of the brain obtained in the experiment that best matches the corresponding image (slice) of a particular atlas of the brain (usually use the MNI atlas or the Taleyraha atlas (https: // en .wikipedia.org / wiki / Talairach_coordinates)).

Основная идея предлагаемого подхода заключается в том, чтобы специальным образом объединить показатели мозговой активности (по фМРТ данным) при выполнении человеком системы когнитивных задач и построить векторную многомерную модель. В результате выявляются взаимосвязи изменения активности каждого конкретного вокселя (локуса) мозга не только с изменением нагрузки в соответствующих когнитивных тестах (например, при блочной экспериментальной парадигме), но и с активностью других вокселей (локусов) мозга. Предлагается для объединенной матрицы данных использовать Q-технику факторного анализа, когда выделяются факторы, описывающие корреляцию BOLD-сигнала (Blood-oxygen-level dependent contrast imaging, https://en.wikipedia.org/wiki/Blood-oxygen-level_dependent) не по времени (сканам), а по пространственному распределению (в отличие от обычной R-техники входная матрица при этом транспонируется). Тогда размерность получаемой корреляционной матрицы достаточно мала, равна числу временных срезов (по всем тестам совместно), но пространственную характеристику выделяемых факторов можно восстановить, вычислив значения факторов. Это позволит (при включении в экспериментальные данные некоторых особых тестов) в одном алгоритме решить сразу несколько взаимосвязанных задач - выделить факторы, описывающие физиологический шум и факторы, описывающие выполнение человеком определенных задач. Но для этого необходимо особым образом подготовить исходные данные. Невозможно прямо вычислять коэффициенты корреляции изменения сигнала по пространству мозга (трехмерный массив МРТ-данных всегда можно представить в виде линейной последовательности) между разными сканами (срезами по времени), поскольку все они будут очень большими, поскольку различия интенсивности сигнала для разных областей мозга существенно больше, чем различия в изменении BOLD-сигнала для одной и той же области мозга. Однако это можно скорректировать посредством вычитания из исходного сигнала по каждому отдельному вокселю среднего арифметического по всему исследуемому диапазону временных срезов, как это было бы сделано автоматически при вычислении корреляций между вокселями при использовании стандартного факторного анализа (R-техники). Кроме того, обычно алгоритмы выделения составляющих (в частности, ICA) применяются в пределах одной экспериментальной сессии, сопоставление полученных результатов для разных когнитивных задач происходит уже после выделения нужных компонент другими методами - с использованием атласов и статистики в выделенных областях интересов. В заявляемом же методе предлагается объединить в единый массив все первичные фМРТ данные, полученные в ходе выполнения человеком специально подготовленного набора различных когнитивных задач. Это становится возможным как раз благодаря предлагаемой технологии, поскольку все задачи решаются одним и тем же человеком, то и все анатомические характеристики его мозга остаются относительно постоянными для различных экспериментальных серий (пространственная размерность данных одинакова). Поэтому временные срезы (сканы) при выполнении человеком разных задач в разных сериях (включая и периоды «покоя») с использованием простого блочного дизайна могут быть прямо объединены в один массив данных. Тогда матрица корреляций будет содержать не только информацию о взаимосвязанных изменениях BOLD-сигнала внутри одной задачи, но и между всем набором задач. При этом, конечно, размерность данных может существенно возрасти, но все равно предлагаемый алгоритм сможет осуществить его анализ достаточно быстро.The main idea of the proposed approach is to combine in a special way the indicators of brain activity (according to fMRI data) when a person performs a system of cognitive tasks and build a vector multidimensional model. As a result, correlations of changes in the activity of each particular voxel (locus) of the brain are revealed, not only with changes in the load in the corresponding cognitive tests (for example, with a block experimental paradigm), but also with the activity of other voxels (loci) of the brain. It is proposed to use the Q-technique of factor analysis for the combined data matrix when factors that describe the correlation of the BOLD signal (Blood-oxygen-level dependent contrast imaging, https://en.wikipedia.org/wiki/Blood-oxygen-level_dependent) are not distinguished in time (scans), and in spatial distribution (in contrast to the usual R-technique, the input matrix is transposed). Then the dimension of the obtained correlation matrix is quite small, equal to the number of time slices (for all tests together), but the spatial characteristic of the factors identified can be restored by calculating the values of the factors. This will allow (when some special tests are included in the experimental data) in one algorithm to solve several interrelated tasks at once - to identify factors that describe physiological noise and factors that describe how a person performs certain tasks. But for this it is necessary to prepare the initial data in a special way. It is impossible to directly calculate the correlation coefficients of signal changes in the brain space (a three-dimensional array of MRI data can always be represented as a linear sequence) between different scans (time slices), because they will all be very large, since the differences in signal intensity for different areas of the brain are much larger than the differences in the change in the BOLD signal for the same area of the brain. However, this can be corrected by subtracting from the initial signal for each individual voxel the arithmetic mean over the entire studied range of time slices, as would be done automatically when calculating the correlations between voxels using standard factor analysis (R-technique). In addition, usually, component extraction algorithms (in particular, ICA) are used within the same experimental session, the comparison of the results for different cognitive tasks occurs after the selection of the necessary components by other methods - using atlases and statistics in the selected areas of interest. In the claimed method, it is proposed to combine in a single array all the primary fMRI data obtained in the course of a person performing a specially prepared set of various cognitive tasks. This becomes possible precisely thanks to the proposed technology, since all tasks are solved by the same person, then all the anatomical characteristics of his brain remain relatively constant for different experimental series (the spatial dimension of the data is the same). Therefore, time slices (scans) when a person performs different tasks in different series (including periods of "rest") using a simple block design can be directly combined into one data array. Then the correlation matrix will contain not only information about the interconnected changes of the BOLD signal within the same task, but also between the entire set of tasks. In this case, of course, the dimension of the data can significantly increase, but still, the proposed algorithm can analyze it quickly enough.

В этом отношении получаемое решение можно прямо сопоставить с компонентами, выделяемыми методов ICA (Independent Component Analysis -анализ независимых компонент), который широко используется в том числе и для анализа отдельных фМРТ данных (для описания связей между разными вокселями мозга) с целью удаления артефактов и выявления «resting state» систем (https://en.wikipedia.org/wiki/Resting_state_fMRI). В заявляемом методе в отличие от метода независимых компонент (ICA), получается ортогональная модель, размерность которой может быть оценена статистически и применена сразу ко всем задачам. Другим важным преимуществом такого метода по сравнению с ICA является возможность вращения системы координат для достижения более предпочтительного решения. В этом отношении могут быть использованы эффективные алгоритмы, применяемые в некоторых методах очистки фМРТ сигнала от физиологического шума: вращение на основании заранее известного пространственного паттерна (Perlbarg et al., 2007) и/или анализа пространственно-временных качеств (Tohka et al., 2008; De Martino et al., 2007).In this regard, the resulting solution can be directly compared with the components distinguished by ICA (Independent Component Analysis), which is widely used including for the analysis of individual fMRI data (to describe the relationships between different voxels of the brain) in order to remove artifacts and identifying “resting state” systems (https://en.wikipedia.org/wiki/Resting_state_fMRI). In the claimed method, in contrast to the method of independent components (ICA), an orthogonal model is obtained, the dimension of which can be estimated statistically and applied immediately to all tasks. Another important advantage of this method compared to ICA is the ability to rotate the coordinate system to achieve a more preferable solution. In this regard, effective algorithms used in some methods for cleaning the fMRI signal from physiological noise can be used: rotation based on a previously known spatial pattern (Perlbarg et al., 2007) and / or analysis of spatio-temporal qualities (Tohka et al., 2008 ; De Martino et al., 2007).

Основы предлагаемого способа:The basics of the proposed method:

1) на получении данных фМРТ для нескольких (не менее трех) различных экспериментальных серий при выполнении испытуемым соответствующих когнитивных задач в стандартной блоковой парадигме исследования (при которой чередуются периоды тестирования и покоя);1) to obtain fMRI data for several (at least three) different experimental series when the subject performs the corresponding cognitive tasks in the standard block research paradigm (in which periods of testing and rest are alternated);

2) на использовании для получения фМРТ данных специального набора когнитивных задач, включая некоторые особые тесты, например задачу гипервентиляции легких, для целей автоматического определения факторов, связанных с физиологическими процессами, которые в контексте данного метода являются шумом;2) using a special set of cognitive tasks to obtain fMRI data, including some specific tests, for example, the task of hyperventilation of the lungs, for the purpose of automatically determining factors associated with physiological processes that are noise in the context of this method;

3) на объединении первичных фМРТ данных разных экспериментальных серий в общую двумерную пространственно-временную матрицу первичных данных;3) by combining primary fMRI data of different experimental series into a common two-dimensional space-time matrix of primary data;

4) на специальной нормализации исходных данных, в частности, путем вычитания из исходного сигнала по каждому отдельному вокселю среднего арифметического либо по всему исследуемому диапазону временных срезов, либо по каждой отдельной серии;4) on a special normalization of the initial data, in particular, by subtracting from the initial signal for each individual voxel the arithmetic mean or over the entire studied range of time slices, or for each individual series;

5) на применении Q-техники факторного анализа с оценкой необходимой размерности полученного нормализованного массива данных;5) on the application of the Q-technique of factor analysis with the assessment of the necessary dimension of the obtained normalized data array;

6) на применении как стандартных приемов, нацеленных на поиск простой структуры данных, например метод варимакс (varimax), так и специальных способов вращения полученного факторного решения: вращение на основании заранее известного пространственного паттерна и/или анализа пространственно-временных качеств;6) on the application of both standard techniques aimed at finding a simple data structure, for example, the varimax method, and special methods of rotation of the resulting factor solution: rotation based on a previously known spatial pattern and / or analysis of spatio-temporal qualities;

7) на возможности содержательной интерпретации получаемой векторной модели, которая формально характеризует одновременно два аспекта:7) on the possibility of a meaningful interpretation of the resulting vector model, which formally characterizes simultaneously two aspects:

а) функциональные мозговые системы, формирующиеся при решении человеком данного набора когнитивных задач по пространственной локализации, отражаемой в вычисляемых значениях выделенных факторов, иa) functional brain systems that are formed when a person solves this set of cognitive tasks for spatial localization, reflected in the calculated values of the selected factors, and

б) составляющие когнитивных процессов на основе величин факторных нагрузок по соответствующим экспериментальным сериям, поскольку будет возможно формально оценить вклад каждой из выделенных составляющих (факторов) в выполнение той или иной задачи.b) components of cognitive processes based on the values of factor loads for the corresponding experimental series, since it will be possible to formally evaluate the contribution of each of the selected components (factors) to the performance of a particular task.

Функциональные мозговые органы субъекта деятельности образуются прижизненно, они являются носителями умения выполнять некую деятельность и отвечают за ее возникновение и протекание. Данное понятие под варьирующими названиями («физиологические органы нервной системы», «функциональные органы мозга», «мозговые органы», «функциональные мозговые системы» и др.) использовалось и развивалось в отечественной физиологии активности и психологической теории деятельности - в работах А.А. Ухтомского, Н.А. Бернштейна, А.В. Запорожца, А.Р. Лурия, А.Н. Леонтьева, П.Я. Гальперина; Л.С. Выготский пользовался аналогичным понятием - «психологическая функциональная система».The functional brain organs of the subject of activity are formed in vivo, they are carriers of the ability to carry out certain activities and are responsible for its occurrence and course. This concept under varying names (“physiological organs of the nervous system”, “functional organs of the brain”, “brain organs”, “functional brain systems”, etc.) was used and developed in the domestic physiology of activity and the psychological theory of activity - in A.A. . Ukhtomsky, N.A. Bernstein, A.V. Zaporozhets, A.R. Luria, A.N. Leontiev, P.Ya. Halperin; L.S. Vygotsky used a similar concept - “psychological functional system”.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Способ исследования мозговой активности включает регистрацию BOLD-сигнала фМРТ (например, в стандартной блочной парадигме) мозговой активности в процессе решения объектом исследования по меньшей мере трех задач с использованием стимулов (внешних раздражителей, воспринимаемых органами чувств объекта исследования) и получении серии изображений по времени по каждой задаче. Предпочтительно, чтобы при получении первичных данных использовались, по-возможности, большее число различных тестовых нагрузок, как можно более полно задействующих комплекс исследуемых когнитивных процессов. Задачи и стимулы формируются, учитывая возможность задействовать несколько различных психических процессов.A method for studying brain activity involves registering a BOLD signal of fMRI (for example, in the standard block paradigm) of brain activity in the process of solving at least three tasks by the object of study using stimuli (external stimuli perceived by the senses of the object of study) and obtaining a series of images over time each task. It is preferable that, when obtaining primary data, as much as possible various test loads are used, which involve the complex of the studied cognitive processes as fully as possible. Tasks and incentives are formed, taking into account the ability to involve several different mental processes.

В фМРТ эксперименте (в томографе от 1.5 Т и выше) был использован набор задач, связанных с вероятностным прогнозированием - осуществлением процесса выбора оптимума среди множества альтернатив. Для этого испытуемому (объекту исследования) была предъявлена квазислучайная последовательность из трех цифр (1-3) в трех задачах.In the fMRI experiment (in the tomograph from 1.5 T and above), a set of tasks was used related to probabilistic forecasting - the implementation of the process of choosing the optimum among many alternatives. For this, the test subject (object of study) was presented with a quasi-random sequence of three digits (1-3) in three tasks.

В задаче 1 (собственно, прогнозирование) испытуемому требуется нажать клавишу с той цифрой, которая, по его мнению, должна была бы следовать за предъявляемым стимулом. В качестве контрольных используются задачи на память и восприятие.In task 1 (actually forecasting), the test subject needs to press a key with the number that, in his opinion, should follow the presented stimulus. As control tasks on memory and perception are used.

Задача 2 на память представляет классический тест 1-back, когда испытуемый должен запоминать предъявляемые цифры и нажимать клавишу, если предъявляемая в данный момент цифра совпала с той, что была через одну до нее.The memory task 2 represents the classic 1-back test, when the test subject must memorize the presented numbers and press the key if the present number is the same as the one that came before it.

В задаче 3 на восприятие требуется просто нажимать на клавишу с той цифрой, которая предъявлялась в данный момент.In task 3, perception is simply required to press a key with the number that was presented at the moment.

В итоге для каждой из задач в соответствии с блочной парадигмой фМРТ исследования получен массив из 50 наборов (сканов, k=50), каждый из которых содержит по 33 Т2* изображения (среза) мозга, в которых отражается интенсивность BOLD-сигнала. Каждый срез представляет собой плоскостное изображение мозга размерностью 64×64 (размерность определяется параметрами фМРТ и представляет собой разрешение устройства в этом режиме). При этом сканы чередуются: в течение пяти сканов происходит выполнение соответствующей задачи, а в течение следующих пяти сканов - отдых, затем опять такая последовательность повторяется. Далее используют очистку изображений от различных артефактов и приведение к стандартному виду в соответствии с выбранным атласом мозга обычными средствами (чаще всего используются пакеты программ FSL или SPM). Убираются типичные артефакты, связанные как с техническими погрешностями, так и с нежелательными движениями объекта исследования. Предварительная стандартизация ориентации получаемых изображений мозга путем поиска поворота изображения к эталонному (по атласу мозга) позволяет в дальнейшем сопоставлять результаты анализа с другими данными. В итоге остается тот же по размеру набор данных, но в нем каждое изображение уже приведено к стандартному виду (см. фиг. 1).As a result, for each of the tasks, in accordance with the block paradigm of fMRI research, an array of 50 sets (scans, k = 50) was obtained, each of which contains 33 T2 * images (sections) of the brain, in which the intensity of the BOLD signal is reflected. Each slice is a 64 × 64 plane image of the brain (the dimension is determined by the fMRI parameters and represents the resolution of the device in this mode). In this case, the scans alternate: during five scans, the corresponding task is performed, and during the next five scans, rest, then again this sequence is repeated. Next, they use image cleaning from various artifacts and bring to a standard view in accordance with the selected atlas of the brain by conventional means (most often the FSL or SPM software packages are used). Typical artifacts associated with both technical errors and unwanted movements of the object of study are removed. Preliminary standardization of the orientation of the obtained images of the brain by searching for the rotation of the image to the reference (by the atlas of the brain) allows us to further compare the results of the analysis with other data. As a result, the data set remains the same in size, but in it each image is already brought to the standard form (see Fig. 1).

Затем на основе полученных изображений формируют двумерную пространственно-временную матрицу значений интенсивности MP сигнала, в которой каждый столбец характеризует определенный воксель мозга и содержит значения интенсивности BOLD-сигнала во всех временных срезах (сканах) и задачах, а каждая строка характеризует данные, полученные при очередном сканировании мозга в ходе решения испытуемым определенной задачи. При этом осуществляют оптимизацию и нормализацию (см. фиг. 1) значений по каждому столбцу этой матрицы, которая может осуществляться несколькими способами: 1) путем вычитания из каждого значения среднего арифметического по всему столбцу (т.е. общего среднего по всем задачам), либо 2) путем вычитания из каждого значения среднего арифметического по каждому временному блоку, соответствующему отдельной задаче (что позволяет выровнять условие активности данного вокселя в различных задачах). В ходе оптимизации вычисляют также дисперсии (стандартные отклонения) значений для каждого вокселя (по каждой задаче отдельно либо в целом) и в соответствии с заданным порогом значимости из дальнейшего анализа исключают воксели с незначительной дисперсией (например, в 5% от общей дисперсии всех данных). Также для целей оптимизации могут исключаться воксели, располагающиеся вне мозговых структур, представляющих интерес для исследования (вне головы испытуемого либо в тканях тела, не относящихся к мозгу). Для целей нормализации возможно также нормирование (деление всех значений) на соответствующее стандартное отклонение каждого вокселя в отдельности. В целом нормализацию осуществляют либо по каждой задаче отдельно, либо по всем одновременно.Then, based on the obtained images, a two-dimensional space-time matrix of MP signal intensity values is formed, in which each column characterizes a certain brain voxel and contains the BOLD signal intensity values in all time slices (scans) and tasks, and each row characterizes the data obtained during the next scanning the brain in the course of solving a particular problem by the subjects. At the same time, they carry out optimization and normalization (see Fig. 1) of values for each column of this matrix, which can be done in several ways: 1) by subtracting from each value the arithmetic average of the entire column (i.e., the total average of all tasks), or 2) by subtracting from each value the arithmetic mean for each time block corresponding to a separate task (which allows you to align the condition of activity of a given voxel in various tasks). In the course of optimization, variances (standard deviations) of the values for each voxel are also calculated (for each task separately or as a whole) and voxels with insignificant dispersion are excluded from further analysis in accordance with a given threshold of significance (for example, 5% of the total variance of all data) . Also, for optimization purposes, voxels located outside the brain structures of interest for study (outside the subject’s head or in body tissues not related to the brain) may be excluded. For normalization purposes, normalization (dividing all values) by the corresponding standard deviation of each voxel separately is also possible. In general, normalization is carried out either for each task separately, or for all at the same time.

В данном примере к исследованию была подготовлена матрица обработанных изображений, содержащая n=64*64*33=135168 столбцов и m=50*3=150 строк. Полученную матрицу нормализовали с применением первого типа нормализации. Для этого в полученной матрице определили среднее арифметическое значений каждого столбца по каждой из трех задач отдельно. После этого из значений в соответствующих столбцах матрицы вычли полученное среднее арифметическое. Полученные в результате нормализации и редукции - откидывания вокселей с небольшой дисперсией (менее 5% от общей дисперсии) - данные были сформированы в двумерный массив - матрицу относительных интенсивностей.In this example, a matrix of processed images containing n = 64 * 64 * 33 = 135168 columns and m = 50 * 3 = 150 rows was prepared for the study. The resulting matrix was normalized using the first type of normalization. For this, the arithmetic mean of the values of each column for each of the three tasks was determined in the obtained matrix separately. After that, the arithmetic mean obtained is subtracted from the values in the corresponding columns of the matrix. The data obtained as a result of normalization and reduction — folding voxels with a small dispersion (less than 5% of the total dispersion) —the data were formed into a two-dimensional array — a matrix of relative intensities.

Далее эту матрицу факторизуют путем вычисления собственных значений и собственных векторов (для этой цели может применятся алгоритм разложения по сингулярным числам) (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC_%D0%B2%D1%8B%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F_%D1%81%D0%BE%D0%B1%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B9 и https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5).Further, this matrix is factorized by calculating the eigenvalues and eigenvectors (for this purpose, an expansion algorithm for singular numbers can be used) (http://en.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D0%B3%D0 % BE% D1% 80% D0% B8% D1% 82% D0% BC_% D0% B2% D1% 8B% D1% 87% D0% B8% D1% 81% D0% BB% D0% B5% D0% BD % D0% B8% D1% 8F_% D1% 81% D0% BE% D0% B1% D1% 81% D1% 82% D0% B2% D0% B5% D0% BD% D0% BD% D1% 8B% D1 % 85_% D0% B7% D0% BD% D0% B0% D1% 87% D0% B5% D0% BD% D0% B8% D0% B9 and https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0% A1% D0% B8% D0% BD% D0% B3% D1% 83% D0% BB% D1% 8F% D1% 80% D0% BD% D0% BE% D0% B5_% D1% 80% D0% B0% D0% B7% D0% BB% D0% BE% D0% B6% D0% B5% D0% BD% D0% B8% D0% B5).

В процессе факторизации вычисляют матрицу коэффициентов корреляции R (размерность которой определяется суммарным числом всех временных срезов (m=150 на фиг. 2)) по всем строкам нормализованной матрицы интенсивностей. На основе собственных значений осуществляют количественную оценку факторной размерности (k, на фиг. 2), которая характеризует число задействованных в процессе исследования элементарных психических (нейрокогнитивных) процессов. В данном примере было выделено 3 фактора.In the process of factorization, the matrix of correlation coefficients R (the dimension of which is determined by the total number of all time slices (m = 150 in Fig. 2)) is calculated over all rows of the normalized intensity matrix. Based on the eigenvalues, a factorial dimension (k, in Fig. 2) is quantified, which characterizes the number of elementary mental (neurocognitive) processes involved in the study. In this example, 3 factors were identified.

На основе матрицы собственных векторов и собственных значений получают матрицу факторных нагрузок (А, на фиг. 2), которую подвергают процедуре ортогонального вращения с получением A(rot) - матрицы факторных нагрузок после вращения, которая содержит искомые составляющие когнитивных процессов (фиг. 2). Для этого возможно применение как стандартных (для поиска простой структуры данных, например, метод varimax/варимакс), так и специальных способов вращения на основании заранее известного пространственного паттерна. В данном примере использовался алгоритм varimax.Based on the matrix of eigenvectors and eigenvalues, a factor load matrix (A, in Fig. 2) is obtained, which is subjected to the orthogonal rotation procedure to obtain A (rot), a factor load matrix after rotation, which contains the desired components of cognitive processes (Fig. 2) . For this, it is possible to use both standard (to search for a simple data structure, for example, the varimax / varimax method), and special rotation methods based on a previously known spatial pattern. In this example, the varimax algorithm was used.

При этом каждый фактор интерпретируют как отдельный независимый элементарный психический (нейрокогнитивный) процесс, задействованный при решении предъявленных задач. Поскольку матрица A(rot) характеризует динамику каждого фактора во времени по каждой задаче, то на этой основе возможно осуществить содержательную интерпретацию данных факторов. Например, в задаче исследования вероятностного прогнозирования, памяти и восприятия, нагрузки на один из выделенных факторов по временным срезам оказались больше для задачи прогнозирования, а их изменение по сканам внутри задачи воспроизводило экспериментальную блочную парадигму, т.е. соответствовала моментам выполнения задачи и состояния покоя. В то же время для других задач нагрузки по этому фактору были незначительными. Тогда данный фактор можно интерпретировать как систему выдвижения и проверки гипотез. В это же время другой фактор имел высокие нагрузки только при решении испытуемым задачи удержания в памяти и узнавания предъявленной цифры с аналогичной динамикой. Третий фактор оказался связан с восприятием предъявляемых цифр. Динамика факторных нагрузок этого фактора была больше в третьей задаче, но присутствовала и в первых двух, поскольку там также предъявлялись зрительные стимулы.Moreover, each factor is interpreted as a separate independent elementary mental (neurocognitive) process involved in solving the problems presented. Since the matrix A (rot) characterizes the dynamics of each factor in time for each task, on this basis it is possible to carry out a meaningful interpretation of these factors. For example, in the task of studying probabilistic forecasting, memory and perception, the load on one of the identified factors in time slices turned out to be greater for the forecasting problem, and their change in scans inside the task reproduced the experimental block paradigm, i.e. corresponded to the moments of the task and the state of rest. At the same time, for other tasks, the loads on this factor were insignificant. Then this factor can be interpreted as a system of advancing and testing hypotheses. At the same time, another factor had high loads only when the subjects solved the task of keeping in memory and recognizing the presented figures with similar dynamics. The third factor was associated with the perception of the presented figures. The dynamics of factor loadings of this factor was greater in the third task, but was also present in the first two, since visual stimuli were also presented there.

Далее по исходной матрице (Z на фиг. 2) и полученной после вращения матрице факторных нагрузок (A(rot) на фиг. 2) вычисляют матрицу значений факторов (Р, на фиг. 2). Матрица Р характеризует локализацию каждого фактора в пространстве мозга, что позволяет определить состав мозговых структур (по соответствующему атласу, в данном примере использовался атлас Талейраха), обеспечивающих элементарные психические (нейрокогнитивные) процессы, задействованные при решении исходных задач.Then, using the initial matrix (Z in Fig. 2) and the factor load matrix obtained after rotation (A (rot) in Fig. 2), a matrix of factor values (P, in Fig. 2) is calculated. The matrix P characterizes the localization of each factor in the space of the brain, which makes it possible to determine the composition of brain structures (according to the corresponding atlas, the Taleyraha atlas was used in this example), which provide elementary mental (neurocognitive) processes involved in solving the initial problems.

Полученные результаты - матрицы A(rot) и Р - сохраняют в форме, удобной для дальнейшего использования: в виде цифровых значений, позволяющих осуществить системную визуализацию исследуемых процессов, т.е. построить для каждого фактора (элементарного нейрокогнитивного процесса): 1) график изменения значений по времени и задачам, который характеризует системный вклад каждого из выделенных элементарных процессов в решение той или иной задачи (нужен пример с выводами); 2) мозговую карту активности, которая после сопоставления с атласом позволяет идентифицировать систему (состав) мозговых структур, обеспечивающих работу данного элементарного нейрокогнитивного процесса.The results obtained - the matrices A (rot) and P - are stored in a form convenient for further use: in the form of digital values that allow systemic visualization of the processes under study, i.e. build for each factor (an elementary neurocognitive process): 1) a graph of the change in values over time and tasks, which characterizes the systemic contribution of each of the selected elementary processes to the solution of a particular problem (an example with conclusions is needed); 2) a brain activity map, which, after comparison with the atlas, allows you to identify the system (composition) of brain structures that ensure the operation of this elementary neurocognitive process.

Так, в нашем примере вычисление значений факторов позволило определить мозговую локализацию соответствующих систем. Например, система вероятностного прогнозирования (фактор 1) состоит в основном из следующих синхронно работающих структур, перечисленных в порядке своего вклада в систему: Right Midbrain, Right Inferior Frontal Gyrus, Left Superior Temporal Gyrus, Left Parahippocampal Gyrus, Right Posterior Cingulate, Right Parahippocampal Gyrus, Left Brodmann area 47, Left Orbital Gyrus, Right Brodmann area 25, Right Temporal Lobe Sub-Gyral, Right Brodmann area 30, Left Putamen, Left Amygdala, Left Brainstem, Right Cingulate Gyrus, Left Cerebellum. По-видимому, эта система оценивает эффективность предыдущего прогноза и коррекцию следующей гипотезы, что согласуется с имеющимися данными о наличии базовой модели принятия решений, состоящей из двух взаимодействующих схем: оценки возможных альтернатив и выбора из них оптимального варианта. В других задачах активность этой системы была в четыре раза меньше.So, in our example, the calculation of the values of factors made it possible to determine the brain localization of the corresponding systems. For example, a probabilistic forecasting system (factor 1) consists mainly of the following synchronously operating structures listed in the order of their contribution to the system: Right Midbrain, Right Inferior Frontal Gyrus, Left Superior Temporal Gyrus, Left Parahippocampal Gyrus, Right Posterior Cingulate, Right Parahippocampal Gyrus , Left Brodmann area 47, Left Orbital Gyrus, Right Brodmann area 25, Right Temporal Lobe Sub-Gyral, Right Brodmann area 30, Left Putamen, Left Amygdala, Left Brainstem, Right Cingulate Gyrus, Left Cerebellum. Apparently, this system evaluates the effectiveness of the previous forecast and the correction of the following hypothesis, which is consistent with the available data on the existence of a basic decision model consisting of two interacting schemes: assessing possible alternatives and choosing the best option from them. In other tasks, the activity of this system was four times less.

Таким образом, предложенный способ позволяет по данным фМРТ соединить в единой системе (нейровизуализационной модели) данные, отражающие: а) выполнение человеком ряда когнитивных задач, формирующих различные функциональные мозговые системы, и б) мозговое распределение (трехмерную визуализационную карту) активности для каждой из выделенных функциональных систем, а также 1) выявить взаимосвязи изменения активности каждого конкретного вокселя (локуса) мозга не только с изменением нагрузки в соответствующих когнитивных тестах, но и с активностью других вокселей (локусов) мозга и 2) выделить с помощью факторного анализа базовые составляющие, которые можно рассматривать как элементарные функциональные мозговые системы.Thus, the proposed method allows, according to fMRI data, to combine in a single system (neuroimaging model) data reflecting: a) a person’s performance of a number of cognitive tasks that form various functional brain systems, and b) brain distribution (three-dimensional visualization map) of activity for each of the selected functional systems, as well as 1) to identify the relationship of changes in the activity of each specific voxel (locus) of the brain, not only with the change in load in the corresponding cognitive tests, but also with the asset by other voxels (loci) of the brain, and 2) using factor analysis, identify the basic components that can be considered as elementary functional brain systems.

Claims (11)

1. Способ исследования мозговой активности, включающий1. A method for studying brain activity, including - функциональную МРТ регистрацию мозговой активности в процессе решения объектом исследования по меньшей мере трех задач, предназначенных для исследования определенных факторов с использованием различных стимулов, и получение серии изображений значений MP-сигнала во времени по каждой задаче;- functional MRI recording of brain activity in the process of solving by the object of study at least three tasks designed to study certain factors using various stimuli, and obtaining a series of images of the MP signal values in time for each task; - очистку полученных изображений от артефактов и приведение их к стандартному виду;- cleaning the received images from artifacts and bringing them to a standard form; - формирование на основе обработанных изображений двумерной пространственно-временной матрицы значений интенсивностей (Z) МР-сигнала с нормализацией ее значений, при этом каждый столбец матрицы характеризует определенный воксель мозга, а каждая строка характеризует данные, полученные при очередном сканировании мозга в ходе решения объектом исследования определенной задачи;- the formation on the basis of processed images of a two-dimensional space-time matrix of values of intensities (Z) of the MR signal with the normalization of its values, each column of the matrix characterizes a specific voxel of the brain, and each row characterizes the data obtained during the next brain scan in the course of solving by the object of study a specific task; - факторизацию полученной матрицы средствами факторного анализа, в процессе которой вычисляют матрицу коэффициентов корреляции R по всем строкам нормализованной матрицы интенсивностей, после чего определяют ее собственные значения и собственные вектора, на основе которых формируют матрицу факторных нагрузок (А);- factorization of the obtained matrix by means of factor analysis, during which the matrix of correlation coefficients R is calculated for all rows of the normalized intensity matrix, after which its eigenvalues and eigenvectors are determined based on which the matrix of factor loads (A) is formed; - ортогональное вращение матрицы факторных нагрузок (А) и получение матрицы A(rot), характеризующей динамику каждого фактора во времени по каждой задаче, и содержательную интерпретацию факторов в качестве отдельных независимых элементарных психических процессов, задействованных при решении предъявленных задач;- orthogonal rotation of the matrix of factor loads (A) and obtaining a matrix A (rot) characterizing the dynamics of each factor in time for each task, and a meaningful interpretation of factors as separate independent elementary mental processes involved in solving the problems presented; - получение матрицы факторных значений Р на основе матрицы значений интенсивности (Z) и матрицы факторных нагрузок после вращения A(rot), которая характеризует локализацию каждого фактора в пространстве мозга и по которой судят о мозговом составе данной функциональной системы, обеспечивающих элементарные психические процессы, включенные в решение исходных задач;- obtaining a matrix of factor values of P based on a matrix of intensity values (Z) and a matrix of factor loads after rotation A (rot), which characterizes the localization of each factor in the space of the brain and by which one judges the brain composition of this functional system that provides elementary mental processes included in solving the initial problems; - получение линейной математической модели, представляющей собой нейровизуализационную модель, отражающую сформированные функциональные мозговые системы, обеспечивающие выполнение человеком соответствующего ряда когнитивных задач.- obtaining a linear mathematical model, which is a neuroimaging model that reflects the formed functional brain systems that ensure that a person fulfills the corresponding series of cognitive tasks. 2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что задачи, решаемые объектом исследования, обеспечивают возможность задействования нескольких различных психических процессов объекта исследования.2. The method according to p. 1, characterized in that the tasks solved by the object of study, provide the ability to use several different mental processes of the object of study. 3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что нормализацию осуществляют по всем задачам одновременно или по каждой задаче отдельно, при этом в процессе нормализации определяют среднее арифметическое значение соответственно по каждому столбцу матрицы интенсивности или каждому столбцу каждой задачи, после чего полученное значение вычитают из соответствующих значений интенсивностей этого же столбца.3. The method according to p. 1, characterized in that the normalization is carried out for all tasks simultaneously or for each task separately, while in the normalization process, the arithmetic mean value is determined respectively for each column of the intensity matrix or each column of each task, after which the obtained value is subtracted from the corresponding intensities of the same column. 4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что двумерную пространственно-временную матрицу оптимизируют посредством удаления неинформативных вокселей, характеризуемых критической величиной дисперсии и их анатомическим расположением.4. The method according to p. 1, characterized in that the two-dimensional space-time matrix is optimized by removing uninformative voxels characterized by the critical dispersion and their anatomical location.
RU2016149614A 2016-12-19 2016-12-19 Method for investigation of brain activity according to fmrt data RU2652898C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149614A RU2652898C1 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Method for investigation of brain activity according to fmrt data

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016149614A RU2652898C1 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Method for investigation of brain activity according to fmrt data

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2652898C1 true RU2652898C1 (en) 2018-05-03

Family

ID=62105297

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016149614A RU2652898C1 (en) 2016-12-19 2016-12-19 Method for investigation of brain activity according to fmrt data

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2652898C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010031917A1 (en) * 1998-11-25 2001-10-18 Daniel Rosenfeld fMRI signal processing
US20130211229A1 (en) * 2012-02-02 2013-08-15 University Of Central Florida Method and system for modeling and processing fmri image data using a bag-of-words approach
US20150227702A1 (en) * 2014-02-10 2015-08-13 Picofemto LLC Multi-factor brain analysis via medical imaging decision support systems and methods
US20150366482A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-24 The Regents Of The University Of California System and method for modeling brain dynamics in normal and diseased states
US20160019434A1 (en) * 2014-07-18 2016-01-21 Acrovirt, LLC Generating and using a predictive virtual personfication
US20160157742A1 (en) * 2013-08-05 2016-06-09 The Regents Of The University Of California Magnetoencephalography source imaging for neurological functionality characterizations

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010031917A1 (en) * 1998-11-25 2001-10-18 Daniel Rosenfeld fMRI signal processing
US20130211229A1 (en) * 2012-02-02 2013-08-15 University Of Central Florida Method and system for modeling and processing fmri image data using a bag-of-words approach
US20150366482A1 (en) * 2013-01-31 2015-12-24 The Regents Of The University Of California System and method for modeling brain dynamics in normal and diseased states
US20160157742A1 (en) * 2013-08-05 2016-06-09 The Regents Of The University Of California Magnetoencephalography source imaging for neurological functionality characterizations
US20150227702A1 (en) * 2014-02-10 2015-08-13 Picofemto LLC Multi-factor brain analysis via medical imaging decision support systems and methods
US20160019434A1 (en) * 2014-07-18 2016-01-21 Acrovirt, LLC Generating and using a predictive virtual personfication

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sui et al. A CCA+ ICA based model for multi-task brain imaging data fusion and its application to schizophrenia
Lv et al. Sparse representation of whole-brain fMRI signals for identification of functional networks
Lv et al. Holistic atlases of functional networks and interactions reveal reciprocal organizational architecture of cortical function
Stern et al. Exploring the neural basis of cognitive reserve
Hillebrand et al. Beamformer analysis of MEG data
Downing et al. The role of the extrastriate body area in action perception
Prescott et al. Enhanced brain connectivity in math-gifted adolescents: An fMRI study using mental rotation
Sui et al. An ICA-based method for the identification of optimal FMRI features and components using combined group-discriminative techniques
Diana et al. Adaptation to cognitive context and item information in the medial temporal lobes
Habeck et al. Relation of cognitive reserve and task performance to expression of regional covariance networks in an event-related fMRI study of nonverbal memory☆
Sareen et al. Exploring MEG brain fingerprints: Evaluation, pitfalls, and interpretations
Stern et al. Task difficulty modulates young–old differences in network expression
Deco et al. The most relevant human brain regions for functional connectivity: Evidence for a dynamical workspace of binding nodes from whole-brain computational modelling
Lerman-Sinkoff et al. Multimodal neural correlates of cognitive control in the Human Connectome Project
Zhou et al. Detecting directional influence in fMRI connectivity analysis using PCA based Granger causality
Gilbert et al. Object repetition leads to local increases in the temporal coordination of neural responses
Muraskin et al. A multimodal encoding model applied to imaging decision-related neural cascades in the human brain
US20170238879A1 (en) Method of Analyzing the Brain Activity of a Subject
Huang et al. Detection of functional networks within white matter using independent component analysis
Jiang et al. Disrupted functional connectome in antisocial personality disorder
Formisano et al. Spatial independent component analysis of functional magnetic resonance imaging time-series: characterization of the cortical components
Wirsich et al. Single-trial EEG-informed fMRI reveals spatial dependency of BOLD signal on early and late IC-ERP amplitudes during face recognition
Dong et al. Characterizing nonlinear relationships in functional imaging data using eigenspace maximal information canonical correlation analysis (emiCCA)
Michael et al. Does function follow form?: methods to fuse structural and functional brain images show decreased linkage in schizophrenia
Maximo et al. “Unrest while resting”? Brain entropy in autism spectrum disorder