RU2706666C1 - Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters - Google Patents

Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters Download PDF

Info

Publication number
RU2706666C1
RU2706666C1 RU2018136806A RU2018136806A RU2706666C1 RU 2706666 C1 RU2706666 C1 RU 2706666C1 RU 2018136806 A RU2018136806 A RU 2018136806A RU 2018136806 A RU2018136806 A RU 2018136806A RU 2706666 C1 RU2706666 C1 RU 2706666C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
synchronization
brain
asymmetry
functional state
interhemispheric
Prior art date
Application number
RU2018136806A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Игоревич Корюкалов
Татьяна Владимировна Попова
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)"
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 автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)" ФГАОУ ВО "ЮУрГУ (НИУ)"
Priority to RU2018136806A priority Critical patent/RU2706666C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2706666C1 publication Critical patent/RU2706666C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]

Abstract

FIELD: psychophysiology.
SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to psychophysiology, and can be used for diagnosing the functional state of the brains of subjects aged 20–60 years at different health levels. That is ensured by diagnosing the functional state of the brain by neural network synchronization parameters. Brain biopotentials in a state of rest with open and closed eyes are recorded. Cerebral biopotentials are recorded in cognitive tasks recorded within 15–30 minutes. Analysis epochs are detected in 2.5 seconds without artefacts. That is followed by detection of generalizations – sections of treated encephalograms, where more than 80 % of leads have single frequency of biopotentials, i.e. synchronized. Tables are formed with presence of interhemispheric asymmetry of more than 15 % of alpha-rhythm spectrum power. Graphs of interhemispheric and intrahemispheric asymmetry are plotted on detected periodically occurring sections of synchronization. Expression in % of intra- and interhemispheric asymmetry of synchronization processes is determined. Obtained variations of cortical synchronization asymmetry (by frequency, period and manifestation of asymmetry) enable to diagnose functional state and formed disorders in interaction of cortical and subcortical structures in a specific individual.
EFFECT: method provides accurate diagnosis of the functional state of the brain by evaluating neuron network synchronization parameters in various functional samples based on the selection of variations of intra- and interhemispheric asymmetry of a pattern of bark cortex synchronization.
1 cl, 2 dwg, 4 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к области психофизиологии, и может быть использовано для диагностики функционального состояния головного мозга обследуемых в возрасте 20-60 лет при различных уровнях здоровья.The invention relates to medicine, in particular to the field of psychophysiology, and can be used to diagnose the functional state of the brain of patients aged 20-60 years at various levels of health.

Функциональное состояние организма в интервале между нормой и патологией определяет риск возникновения и развития болезни. В последние десятилетия все шире стали использоваться представления о градуальном изменении состояния здоровья человека, о качестве и количестве его здоровья. Такой подход к оценке здоровья соответствует принятой классификации состояний организма, которая включает:The functional state of the body in the interval between norm and pathology determines the risk of the onset and development of the disease. In recent decades, ideas about a gradual change in a person’s health status, about the quality and quantity of his health have become increasingly used. This approach to assessing health corresponds to the accepted classification of body conditions, which includes:

- состояния с достаточным функциональным (адаптационным) резервом;- conditions with sufficient functional (adaptive) reserve;

- донозологические состояния, при которых неблагоприятные сдвиги в работе организма компенсируются за счет более высокого, чем в норме, напряжения регуляторных систем;- prenosological conditions in which adverse changes in the body's work are compensated by a higher than normal tension of regulatory systems;

- преморбидные состояния, характеризующиеся снижением функциональных резервов организма;- premorbid conditions characterized by a decrease in the functional reserves of the body;

- состояния срыва адаптации, декомпенсации, развития заболеваний (Казначеев В.П., Баевский P.M., Берсенева А.П. Донозологическая диагностика в практике массовых обследований населения. - Л. - 1980. С. 99-131).- the state of failure of adaptation, decompensation, and the development of diseases (Kaznacheev V.P., Baevsky P.M., Berseneva A.P. Donosological diagnostics in the practice of mass screening of the population. - L. - 1980. P. 99-131).

Вовремя выявленное состояние «напряжения» систем регуляции позволяет распознать причины дисфункций, создать организму условия для компенсации результатов травмирующих воздействий, повышения резервных возможностей. Степень синхронизации нейронных сетей связана с процессами нейропластичности и отражает отчасти адаптационный потенциал нервной системы.The timely detected state of “tension” of regulatory systems allows you to recognize the causes of dysfunctions, create conditions for the body to compensate for the effects of traumatic effects, increase reserve capabilities. The degree of synchronization of neural networks is associated with the processes of neuroplasticity and partly reflects the adaptive potential of the nervous system.

Суть любой адаптирующейся системы заключается в способности корректировать свои реакции согласно изменениям воздействующего стимула на основе уже имеющегося опыта, а также накапливать и хранить вновь поступающую информацию. Именно поэтому приспособление возможно лишь при условии сохранности и четкой работы механизмов памяти. Центральная нервная система (ЦНС) является главным звеном в цепи формирования общих неспецифических адаптационных реакций, каждой из которых соответствует свой уровень функциональной активности организма. Формирование межцентральных связей коры головного мозга с субкортикальными структурами создает стабильную морфофункциональную основу для оптимизации приспособительных реакций организма, указывая таким образом на взаимосвязь между функциональным состоянием головного мозга и типом адаптационной реакции [Коробейникова Е.П. Изменения альфа-ритма человека при общих неспецифических адаптационных реакциях, вызванных переменным магнитным полем. // Применение лазеров и магнитов в биологии и медицине. - Ростов-н/Д., 1983. - С. 64-65].The essence of any adaptable system is the ability to adjust its reactions according to changes in the stimulus based on existing experience, as well as to accumulate and store new information. That is why adaptation is possible only on condition that the memory mechanisms are preserved and work clearly. The central nervous system (CNS) is the main link in the chain of formation of general non-specific adaptive reactions, each of which corresponds to its own level of functional activity of the body. The formation of intercentral connections of the cerebral cortex with subcortical structures creates a stable morphological and functional basis for optimizing the adaptive reactions of the body, thus indicating the relationship between the functional state of the brain and the type of adaptive reaction [Korobeinikova EP Changes in the alpha rhythm of a person during general non-specific adaptive reactions caused by an alternating magnetic field. // The use of lasers and magnets in biology and medicine. - Rostov-n / D., 1983. - S. 64-65].

По мнению [С.И. Аксенов, Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований. 2004. С. 24-28] постоянное движение из одного неустойчивого состояния в другое позволяет живым организмам адекватно приспосабливаться к непрерывно меняющимся внешним условиям. Таким образом, у живых организмов собственные биоритмы синхронизовались с внешними ритмами среды обитания [Бреус Т.К., Раппопорт С.И. //Магнитные бури: медико-биологические и геофизические аспекты. М,: Советский спорт. 2003. 192 с.].According to [S.I. Aksenov, Water and its role in the regulation of biological processes. Moscow-Izhevsk, Institute for Computer Research. 2004. S. 24-28] the constant movement from one unstable state to another allows living organisms to adequately adapt to continuously changing external conditions. Thus, in living organisms, their own biorhythms were synchronized with the external rhythms of the living environment [Breus TK, Rappoport S.I. // Magnetic storms: biomedical and geophysical aspects. M: Soviet sports. 2003.192 p.].

Главным регулятором биоритмов и обусловленных ими жизненных процессов выступает мозг [Журавлев, Б.В. Реверберационная цикличность между нервными клетками мозга как механизм саморегуляционных систем организма / Б.В. Журавлев - М.: ГУ НИИ Нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН, - 2006, - 194 с.]. Биоритмика же мозга связана с индивидуальными особенностями механизмов саморегуляции и уровнем пластичности нейродинамических процессов [Soroko, S.P. Features aimed reorganizations EEG parameters in humans using the method of adaptive biocontrol / S.P. Soroko, T.J. Musuraliev // Human Physiology. - 1995. - T. 21, №5. - P. 5-8]. Показано, что уровень саморегуляции выше у тех лиц, у которых в электроэнцефалограммах (ЭЭГ) выражены периодические составляющие, имеющие во временной структуре ЭЭГ устойчивые связи отдельных ритмов с альфа-ритмом.The main regulator of biorhythms and the vital processes caused by them is the brain [Zhuravlev, B.V. Reverb cyclicity between nerve cells of the brain as a mechanism of self-regulatory systems of the body / B.V. Zhuravlev - M .: GU Research Institute of Normal Physiology. PC. Anokhina RAMS, - 2006, - 194 p.]. The biorhythm of the brain is associated with individual characteristics of the mechanisms of self-regulation and the level of plasticity of neurodynamic processes [Soroko, S.P. Features aimed reorganizations EEG parameters in humans using the method of adaptive biocontrol / S.P. Soroko, T.J. Musuraliev // Human Physiology. - 1995. - T. 21, No. 5. - P. 5-8]. It was shown that the level of self-regulation is higher in those individuals whose periodic components are expressed in electroencephalograms (EEGs) that have stable connections of individual rhythms with alpha rhythm in the EEG time structure.

Существенное внимание уделяется изучению синхронизации различных отделов коры головного мозга альфа- и бета-ритмов в процессах регуляции и изменениях функционального состояния организма [Ivanitsky A.M., Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A. Cortical connectivity during word association search // Int. J. Psychophysiol. - 2001. Vol. 42. No 1. - pp. 35-53; Nunez P., Wingeier В., Silberstein R. Spatial-temporal structures of human alpha rhythms: theory, microcurrent sources, multiscale measurements, and global binding of networks // Hum. Brain Mapp. - 2001. V. 13. - pp. 125-164; Soroko S.I. Aldasheva A.A. Individual strategies of human adaptation to extreme conditions // Human Physiology. - 2012. - T. 38. - №6. - P. 78-86].Significant attention is paid to the study of the synchronization of various parts of the cerebral cortex of alpha and beta rhythms in the processes of regulation and changes in the functional state of the body [Ivanitsky A.M., Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A. Cortical connectivity during word association search // Int. J. Psychophysiol. - 2001. Vol. 42. No 1. - pp. 35-53; Nunez P., Wingeier B., Silberstein R. Spatial-temporal structures of human alpha rhythms: theory, microcurrent sources, multiscale measurements, and global binding of networks // Hum. Brain Mapp. - 2001. V. 13. - pp. 125-164; Soroko S.I. Aldasheva A.A. Individual strategies of human adaptation to extreme conditions // Human Physiology. - 2012. - T. 38. - No. 6. - P. 78-86].

Для объективной характеристики функционального состояния человека в норме и патологии широко используются показатели биоэлектрической активности мозга. Наиболее изученным ее видом является электроэнцефалограмма (ЭЭГ). Разработано множество методов анализа биоритмов мозга, регистрируемых с помощью ЭЭГ [Русинов B.C., Гриндель О.М., Болдырева Г.Н., Вакар Е.М. Биопотенциалы мозга человека (математический анализ). - М.: Медицина, 1987. С. 67-254].For an objective characterization of a person’s functional state in norm and pathology, indicators of brain bioelectric activity are widely used. Its most studied form is the electroencephalogram (EEG). Many methods have been developed for analyzing brain biorhythms recorded using EEG [Rusinov B.C., Grindel OM, Boldyreva GN, Vakar EM Biopotentials of the human brain (mathematical analysis). - M .: Medicine, 1987. S. 67-254].

Известен способ регистрации сдвига уровня постоянного электрического потенциала головного мозга при оценке стабильности функционального состояния (см. патент RU №2007116, МПК А61В 5/04, дата публикации 15.02.1994), в котором на голове испытуемого устанавливают пару регистрирующих электродов над заданным участком мозга, электроды подсоединяют к усилителю электрических напряжений, с выхода которого считывают в начале и в конце сдвига, вызванного внешним воздействием, значения постоянного электрического потенциала и сравнивают их между собой.A known method of detecting a shift in the level of constant electric potential of the brain when assessing the stability of a functional state (see patent RU No. 2007116, IPC AB 5/04, publication date 02/15/1994), in which a pair of recording electrodes are mounted on the subject’s head over a given area of the brain, the electrodes are connected to an electric voltage amplifier, the output of which is read at the beginning and at the end of the shear caused by external influence, the values of the constant electric potential and compare them with each other.

Недостатками данного способа являются повышенная трудоемкость процесса регистрации и ограниченность области применения, отсутствие возможности дифференциальной диагностики активирующихся областей головного мозга, а также малая информативность и низкая точность результатов из-за нестабильности подэлектродного сопротивления.The disadvantages of this method are the increased complexity of the registration process and the limited scope, the lack of differential diagnosis of activated brain regions, as well as low information content and low accuracy of the results due to the instability of the electrode resistance.

Известен способ диагностики степени психофизиологической дезадаптации (патент РФ №2154979, МПК А61В 5/0476, дата публикации 10.02.2000), включающий регистрацию биопотенциалов головного мозга в покое, с последующим количественным анализом частотно-амплитудных характеристик электроэнцефалограммы, в частности, в диапазоне альфа-активности с оценкой спектральной мощности альфа-активности, при абсолютной мощности альфа-активности менее 10 мкВ2 или значения абсолютной мощности альфа-активности более 80 мкВ2 и/или относительной мощности альфа-активности более 50% диагностируют значительную степень психофизиологической дезадаптации.A known method for diagnosing the degree of psychophysiological maladaptation (RF patent No. 2154979, IPC АВВ 5/0476, publication date 02/10/2000), including recording the brain’s biopotentials at rest, followed by a quantitative analysis of the frequency-amplitude characteristics of the electroencephalogram, in particular in the alpha- activity with an estimate of the spectral power of alpha activity at the absolute power of alpha activity of less than 10 microvolts 2 or absolute power values of alpha activity greater than 80 microvolts 2 and / or alpha relative power aktivnos and more than 50% diagnosed with a significant degree of psychophysiological maladjustment.

Однако анализируемый в способе альфа-ритм является доминирующим ритмом пассивного бодрствования в покое с закрытыми глазами, регистрируемым в каудальных отделах головного мозга, в проекции зрительной коры, который не может объективно отражать функциональную адаптацию и дезадаптацию головного мозга, без анализа спектрально-частотных характеристик синхронизации разных структур мозга и без пробы с умственной нагрузкой нет объективных критериев, анализирующих адаптационные процессы и характер функциональной активности.However, the alpha rhythm analyzed in the method is the dominant rhythm of passive wakefulness at rest with closed eyes, recorded in the caudal regions of the brain, in the projection of the visual cortex, which cannot objectively reflect the functional adaptation and maladaptation of the brain, without analyzing the spectral-frequency characteristics of synchronization of different There are no objective criteria analyzing adaptation processes and the nature of functional activity without brain structures without a mental load test.

Технической задачей заявляемого изобретения является разработка способа диагностики функционального состояния головного мозга по параметрам синхронизации нейронных сетей в различных функциональных пробах.The technical task of the invention is the development of a method for diagnosing the functional state of the brain by the synchronization parameters of neural networks in various functional tests.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в выявлении, анализе параметров периодической синхронизации отделов коры между собой, получении впервые на их основе набора моделей (вариаций) меж- и внутриполушарной асимметрии рисунка синхронизации отделов коры.The technical result achieved in solving the problem is expressed in identifying, analyzing the parameters of the periodic synchronization of the cortical departments among themselves, obtaining for the first time on their basis a set of models (variations) of inter- and intrahemispheric asymmetry of the synchronization picture of the cortical departments.

Полученные вариации асимметрии синхронизации отделов коры (по частоте, периоду и выраженности асимметрии) позволят диагностировать функциональное состояние и формирующиеся нарушения во взаимодействии корковых и подкорковых структур у конкретного индивидуума.The obtained variations in the asymmetry of synchronization of the cortical departments (in frequency, period, and severity of asymmetry) will allow us to diagnose the functional state and emerging disorders in the interaction of cortical and subcortical structures in a particular individual.

Техническая задача решается благодаря способу диагностики функционального состояния головного мозга по параметрам синхронизации нейронных сетей, на основе регистрации биопотенциалов головного мозга в состоянии покоя с открытыми и закрытыми глазами, регистрации биопотенциалов головного мозга при решении когнитивной задачи, записанными в течении 15-30 минут, из записанных ЭЭГ выделяют эпохи анализа в 2,5 секунды без артефактов, где более 40% отведений синхронизированы на одной частоте в области 7-13 Гц; осуществляют периодометрический анализ всех выделенных эпох в альфа-диапазоне 7-13 Гц; далее осуществляют выявление генерализаций - участков обработанных энцефалограмм, где более 80% отведений имеют единую частоту биопотенциалов., т.е. синхронизированы; формируют таблицы с наличием более 15% межполушарной асимметрии по мощности спектра альфа-ритма; строят графики межполушарной и внутри-полушарной асимметрии по выявленным периодически возникающим участкам синхронизации; определяют выраженность в % внутри и межполушарной асимметрии процессов синхронизации.The technical problem is solved by a method for diagnosing the functional state of the brain according to the parameters of synchronization of neural networks, based on the registration of brain biopotentials at rest with open and closed eyes, registration of brain biopotentials when solving a cognitive task, recorded within 15-30 minutes, from recorded EEGs distinguish epochs of analysis in 2.5 seconds without artifacts, where more than 40% of the leads are synchronized at one frequency in the region of 7-13 Hz; carry out periodometric analysis of all selected eras in the alpha range of 7-13 Hz; further, the generalizations are identified - areas of processed encephalograms, where more than 80% of the leads have a single frequency of biopotentials., i.e. synchronized; form tables with more than 15% interhemispheric asymmetry by the power of the alpha rhythm spectrum; build graphs of interhemispheric and intrahemispheric asymmetry on identified periodically occurring synchronization sections; determine the severity in% of the intra and hemispheric asymmetry of the synchronization processes.

Сущность способа анализа синхронизации между межполушарными и внутриполушарными участками коры больших полушарий (далее - анализ синхронизации)» заключается в том, что не просто анализируются амплитудочастотные характеристики биотоков мозга при разных пробах, а выявляется общий рисунок периодически повторяющейся синхронизации между определенным набором участков коры больших полушарий.The essence of the method for analyzing synchronization between the interhemispheric and intrahemispheric sections of the cerebral cortex (hereinafter referred to as the synchronization analysis) ”is that not only the amplitude-frequency characteristics of the brain biocurrents are analyzed in different samples, but the general pattern of periodically repeating synchronization between a certain set of sections of the cerebral cortex is revealed.

Периодические процессы синхронизации между сетью отведений (с разных участков коры) отражают гибкость нервной системы в подстройке к возникающим внешним ритмам, и возможность быстро регулировать состояние при «возмущениях» внешней среды. В исследованиях регуляторных процессов организма при изменениях геомагнитной обстановки показано, что реакция на одиночные магнитные бури имеет 3-фазную форму (синхронизация, десинхроноз и фаза релаксации); при этом для здоровых людей характерно преобладание фазы синхронизации, для больных - десинхроноза. [Чибисов С.М. Вестник РУДН, серия «Медицина», 2006. №3. С. 35-44; Рагульская М.В., Чибисов С.М. Успехи современного естествознания. 2008. №2. С.14-19.].Periodic synchronization processes between the lead network (from different parts of the cortex) reflect the flexibility of the nervous system in adjusting to emerging external rhythms, and the ability to quickly adjust the state under "disturbances" of the external environment. In studies of the regulatory processes of the body with changes in the geomagnetic environment, it was shown that the reaction to single magnetic storms has a 3-phase form (synchronization, desynchronosis and relaxation phase); at the same time, for healthy people, the predominance of the phase of synchronization is characteristic, for patients - desynchronosis. [Chibisov S.M. RUDN University Bulletin, a series of "Medicine", 2006. No. 3. S. 35-44; Ragulskaya M.V., Chibisov S.M. The successes of modern science. 2008. No2. S.14-19.].

Хорошо выраженная синхронизация отделов коры на ЭЭГ отмечается в альфа-диапазоне. Исследования свидетельствуют, что «функциональное ядро», организующее биоэлектрическую активность мозга в других частотных диапазонах, формируется осцилляциями на частоте альфа-активности [

Figure 00000001
et al. NeuroImage. 2004. V. 22. N.3. P. 1023-1028; Klimesch et al. Brain Res. Rev. - 2007. V. 53. - pp. 63-88]. Возможно, благодаря такому «функциональному ядру» и обнаруживаются регулярные паттерны синхронизации именно в альфа-диапазоне.Well-pronounced synchronization of the cortical regions on the EEG is observed in the alpha range. Studies show that the "functional core" that organizes the bioelectric activity of the brain in other frequency ranges is formed by oscillations at the frequency of alpha activity [
Figure 00000001
et al. NeuroImage 2004. V. 22. N.3. P. 1023-1028; Klimesch et al. Brain Res. Rev. - 2007. V. 53. - pp. 63-88]. Perhaps, thanks to this “functional core”, regular synchronization patterns are found precisely in the alpha range.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами: фиг. 1 - тип синхронизации нейросети, на котором представлена запись типа синхронизации доминирующих нейронных сетей, фиг. 2 - пример выделения эпох ЭЭГ для анализа.The invention is illustrated graphic materials: Fig. 1 shows a type of synchronization of a neural network, on which a record of a type of synchronization of dominant neural networks is presented; FIG. 2 - an example of the allocation of EEG eras for analysis.

При этом алгоритм выявления и анализа синхронизации нейронных сетей состоит из следующих этапов:The algorithm for identifying and analyzing the synchronization of neural networks consists of the following steps:

На подготовительном этапе необходимо использовать энцефалограф минимум с 16 электродами. Для анализа понадобятся ЭЭГ-записи от 15 до 30 мин, из которых выделяются эпохи анализа в 2,5 сек без артефактов, т.е. вся запись разбивается на промежутки в 2,5 сек, из которых убираются эпохи (участки ЭЭГ) с артефактами (фиг. 2).At the preparatory stage, it is necessary to use an encephalograph with at least 16 electrodes. For analysis, you will need EEG recordings from 15 to 30 minutes, of which the analysis epochs of 2.5 seconds are distinguished without artifacts, i.e. the entire record is divided into intervals of 2.5 seconds, from which eras (EEG sections) with artifacts are removed (Fig. 2).

После выбора эпох для анализа - проводится периодометрический анализ всех эпох в альфа-диапазоне, т.е. от 7 до 13 Гц. Ключевые показатели, которые понадобятся для выявления в данных эпохах синхронизации нейросетей: отведения, А - амплитуда спектра, мкВ/с; S - мощность спектра, мкВ22; F - частота, Гц; Индекс ритма - %.After choosing epochs for analysis, a periodometric analysis of all epochs in the alpha range is carried out, i.e. from 7 to 13 Hz. The key indicators that will be needed to identify neural networks in these epochs are: leads, A — spectrum amplitude, μV / s; S is the spectrum power, μV 2 / s 2 ; F is the frequency, Hz; The rhythm index is%.

После получения таблиц с нужными показателями по каждой эпохе осуществляют пошаговое выявление и анализ синхронизации нейросетей:After receiving tables with the necessary indicators for each era, step-by-step identification and analysis of the synchronization of neural networks is carried out:

1) Выбирают эпохи ЭЭГ в 2,5 сек, в которых более 40% отведений синхронизируются на одной частоте в области от 7 до 13 Гц.1) Choose the EEG era in 2.5 seconds, in which more than 40% of the leads are synchronized at one frequency in the region from 7 to 13 Hz.

2) Выявляют генерализации, т.е. эпох, в которых более 80% отведений «синхронизированы», т.е. имеют одну и туже частоту ±0,1 Гц. Вообще то не отведения синхронизируются, а альфа-ритм (таблица 1 - периодометрический анализ с выявлением синхронизации между более 80% отведений).2) Reveal generalization, i.e. eras in which more than 80% of the leads are “synchronized”, i.e. have the same frequency ± 0.1 Hz. Actually, not the leads are synchronized, but the alpha rhythm (Table 1 - periodometric analysis with the detection of synchronization between more than 80% of the leads).

3) Для выявления асимметрии в активности полушарий и участков повышенной активности коры, которые могут отражать дисфункции в функциональном состоянии и работе нейросетей необходимо сформировать таблицы межполушарной асимметрии более 15%) по полной мощности спектра альфа-ритма (S полн.) (таблица 2 - Периодометрический анализ в альфа-диапазоне. Спектр и частоты (Альфа) 0 с, Фоновая запись). Например, выявление асимметрии в правой префронтальной коре, исследователи связывают с нарушением эмоционального реагирования, повышенной тревожностью и нарушением сна. В таблице 2 видно, что асимметрия в лобных и височных отделах составляет около 50%, что связывают с нарушениями в регуляции эмоционального состояния и депрессивными состояниями (что подтверждается анамнезом данного пациента). Более того, отведение Fp2A2 (10,8 Гц, вместо 9,7 Гц±0,1) вообще не входит в структуру активной нейросети.3) In order to identify asymmetries in the activity of hemispheres and areas of increased cortical activity, which may reflect dysfunctions in the functional state and the functioning of neural networks, it is necessary to form tables of interhemispheric asymmetry of more than 15%) for the full power of the alpha rhythm spectrum (S full) (Table 2 - Periodometric analysis in the alpha range. Spectrum and frequencies (Alpha) 0 s, Background recording). For example, researchers attribute the asymmetry in the right prefrontal cortex to impaired emotional response, increased anxiety and sleep disturbance. Table 2 shows that the asymmetry in the frontal and temporal regions is about 50%, which is associated with disturbances in the regulation of the emotional state and depressive states (which is confirmed by the history of this patient). Moreover, the assignment of Fp2A2 (10.8 Hz, instead of 9.7 Hz ± 0.1) is not included in the structure of the active neural network at all.

Пример выявления и анализа синхронизации нейронных сетей.An example of the identification and analysis of synchronization of neural networks.

1) При длительной регистрации ЭЭГ (более 30 минут) у испытуемого выделяются эпохи анализа ЭЭГ по 2,5 сек, периодометрический анализ показывает по каждой эпохе участки синхронизации разных отделов коры. Критерием паттерна синхронизации, является наличие синхронизации на одной частоте альфа-ритма более чем в 40% отведений ЭЭГ (таблица 3 - Паттерн синхронизации в фоновой записи на частоте 9,8 Гц. Исп. Гре-ов, 33 года. Спектр и частоты (Альфа) 38 с, эпоха 4.). Из Таблицы 3 и 4 одного испытуемого отчетливо видно, что рисунок синхронизации между одним набором отведений повторяется - это отведения F3, F4, С3, С4, Р3, Р4 и Т3, Т4. Внешне такая синхронизация в отведениях отражает контур нейронной сети, данный рисунок периодически повторяется в течение всей записи ЭЭГ у каждого испытуемого.1) With a long-term registration of EEG (more than 30 minutes), the subject distinguishes between the epochs of the EEG analysis of 2.5 seconds, the periodometric analysis shows the synchronization sections of different parts of the cortex for each epoch. The criterion for the synchronization pattern is the presence of synchronization at a single alpha rhythm frequency in more than 40% of EEG derivations (Table 3 - Synchronization pattern in the background recording at a frequency of 9.8 Hz. Isp. Grev, 33 years. Spectrum and frequencies (Alpha ) 38 s, era 4.). From Tables 3 and 4 of one subject it is clearly seen that the synchronization pattern between one set of leads is repeated - these are leads F3, F4, C3, C4, P3, P4 and T3, T4. Outwardly, such synchronization in the leads reflects the contour of the neural network, this figure is periodically repeated throughout the entire EEG record for each subject.

2) Также можно выделить и эпохи с наличием синхронизации между 80% и большим количеством отведений, например, как в таблице 1.2) Erases with synchronization between 80% and a large number of leads can also be distinguished, for example, as in table 1.

3) По полученным индивидуальным паттернам синхронизации нейронной сети по мощности (выраженности ритма) в симметричных разнополушарных участках (отведениях) выявляется асимметрия, например, в височных областях как отражено в Таблице 4 - с повышенной активностью (возбудимостью) правой височной области, связанной с повышенной тревожностью.3) According to the received individual patterns of synchronization of the neural network in terms of power (severity of rhythm), asymmetry is detected in symmetrical different-hemisphere sections (leads), for example, in the temporal regions as shown in Table 4 - with increased activity (excitability) of the right temporal region associated with increased anxiety .

4) В последующих аналогичных проанализированных эпохах выявляется частота и выраженность участков асимметрии с выявлением наиболее значимых у конкретного индивидуума для оценки функционального состояния человека и степени дисфункции. В приведенном примере испытуемый имел незначительные отклонения от нормы в функциональном состоянии с выраженной возбудимостью в эмоциональной сфере - повышенной тревожностью.4) In subsequent similar analyzed eras, the frequency and severity of asymmetry sections are revealed with the identification of the most significant in a particular individual to assess the functional state of a person and the degree of dysfunction. In the given example, the subject had minor deviations from the norm in a functional state with pronounced excitability in the emotional sphere - increased anxiety.

Такой анализ функционального состояния нервной системы через выявление асимметрии в работе нейросети позволяет достоверно показать, как наличие дисфункций процессов синхронизации между разными отделами коры, так и их локализацию.Such an analysis of the functional state of the nervous system through the identification of asymmetries in the work of the neural network allows us to reliably show both the presence of dysfunctions of the synchronization processes between different parts of the cortex and their localization.

Заявляемый способ для определения функциональной межполушарной асимметрии и степени синхронизации нейронных сетей позволяет осуществить анализ синхронизации между межполушарными и внутриполушарными участками коры больших полушарий во время состояния покоя с открытыми и закрытыми глазами, решении когнитивной задачи.The inventive method for determining the functional interhemispheric asymmetry and the degree of synchronization of neural networks allows you to analyze the synchronization between the interhemispheric and intrahemispheric sections of the cerebral cortex during a rest state with open and closed eyes, solving a cognitive task.

Данный способ позволяет оценить скорость, периодичность, частотные и спектральные характеристики процессов синхронизации нейронных сетей и является объективным и неинвазивным методом тестирования функций ЦНС.This method allows you to evaluate the speed, frequency, frequency and spectral characteristics of the processes of synchronization of neural networks and is an objective and non-invasive method for testing the functions of the central nervous system.

Figure 00000002
Figure 00000002

А - амплитуда спектра, мкВ/с;A is the amplitude of the spectrum, μV / s;

S - мощность спектра, мкВ22;S is the spectrum power, μV 2 / s 2 ;

F - частота, Гц;F is the frequency, Hz;

Индекс ритма - %.The rhythm index is%.

Figure 00000003
Figure 00000003

А - амплитуда спектра, мкВ/с;A is the amplitude of the spectrum, μV / s;

S - мощность спектра, мкВ22;S is the spectrum power, μV 2 / s 2 ;

F - частота, Гц;F is the frequency, Hz;

Индекс ритма - %.The rhythm index is%.

Figure 00000004
Figure 00000004

А - амплитуда спектра, мкВ/с;A is the amplitude of the spectrum, μV / s;

S - мощность спектра, мкВ22;S is the spectrum power, μV 2 / s 2 ;

F - частота, Гц;F is the frequency, Hz;

Индекс ритма - %.The rhythm index is%.

Figure 00000005
Figure 00000005

А - амплитуда спектра, мкВ/с;A is the amplitude of the spectrum, μV / s;

S - мощность спектра, мкВ22;S is the spectrum power, μV 2 / s 2 ;

F - частота, Гц;F is the frequency, Hz;

Индекс ритма - %.The rhythm index is%.

Список литературы:List of references:

1. Klimesch W., Sauseng P., Hanslmayr S. EEG alpha oscillation: The inhibition-timing hypothesis // Brain Res. Rev. - 2007. V. 53. - pp. 63-881. Klimesch W., Sauseng P., Hanslmayr S. EEG alpha oscillation: The inhibition-timing hypothesis // Brain Res. Rev. - 2007. V. 53. - pp. 63-88

2.

Figure 00000001
E.,
Figure 00000006
P.A., Miwakeichi T. et al. Concurrent EEG/FMRI analysis by multiway Partial Least Squares // NeuroImage. 2004. V. 22. N.3. P. 1023-1028.2.
Figure 00000001
E.,
Figure 00000006
PA, Miwakeichi T. et al. Concurrent EEG / FMRI analysis by multiway Partial Least Squares // NeuroImage. 2004. V. 22. N.3. P. 1023-1028.

3. Рагульская, M.В. Основные этапы развития представлений о влиянии космоса на биосферу и ноосферу / М.В. Рагульская, С.М. Чибисов / Научный журнал. Успехи современного естествознания. - 2008. - N2. - С. 14-19.3. Ragulskaya, M.V. The main stages of development of ideas about the influence of space on the biosphere and noosphere / M.V. Ragulskaya, S.M. Chibisov / Scientific journal. The successes of modern science. - 2008. - N2. - S. 14-19.

4. Чибисов С.М. Космос и биосфера. Влияние магнитных бурь на хроноструктуру биологических ритмов.// Вестник РУДН, серия «Медицина», 2006, №3, С. 35-44.4. Chibisov S.M. Space and biosphere. The influence of magnetic storms on the chronostructure of biological rhythms. // Bulletin of RUDN University, series "Medicine", 2006, No. 3, P. 35-44.

5. Бреус Т.К., Раппопорт С.И. //Магнитные бури: медико-биологические и геофизические аспекты. М,: Советский спорт. 2003. 192 с. 5. Breus TK, Rappoport S.I. // Magnetic storms: biomedical and geophysical aspects. M: Soviet sports. 2003.192 p.

6. Казначеев В.П., Баевский P.M., Берсенева А.П. Донозологическая диагностика в практике массовых обследований населения. - Л. - 1980. С. 99-1316. Kaznacheev V.P., Baevsky P.M., Berseneva A.P. Pre-nosological diagnostics in the practice of mass population surveys. - L. - 1980.P. 99-131

7. Коробейникова Е.П. Изменения альфа-ритма человека при общих неспецифических адаптационных реакциях, вызванных переменным магнитным полем. // Применение лазеров и магнитов в биологии и медицине. - Ростов-н/Д., 1983. - С. 64-657. Korobeinikova EP Changes in the alpha rhythm of a person during general non-specific adaptive reactions caused by an alternating magnetic field. // The use of lasers and magnets in biology and medicine. - Rostov-n / D., 1983. - S. 64-65

8. С.И. Аксенов, Вода и ее роль в регуляции биологических процессов. Москва-Ижевск, Институт компьютерных исследований. 2004. С. 24-288. S.I. Aksenov, Water and its role in the regulation of biological processes. Moscow-Izhevsk, Institute for Computer Research. 2004.S. 24-28

9. Журавлев, Б.В. Реверберационная цикличность между нервными клетками мозга как механизм саморегуляционных систем организма / Б.В. Журавлев - М.: ГУ НИИ Нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН, - 2006, - 194 с. 9. Zhuravlev, B.V. Reverb cyclicity between nerve cells of the brain as a mechanism of self-regulatory systems of the body / B.V. Zhuravlev - M .: GU Research Institute of Normal Physiology. PC. Anokhina RAMS, - 2006, - 194 p.

10. Soroko, S.P. Features aimed reorganizations EEG parameters in humans using the method of adaptive biocontrol / S.P. Soroko, T.J. Musuraliev // Human Physiology. - 1995. - T. 21, №5. - P. 5-810. Soroko, S.P. Features aimed reorganizations EEG parameters in humans using the method of adaptive biocontrol / S.P. Soroko, T.J. Musuraliev // Human Physiology. - 1995. - T. 21, No. 5. - P. 5-8

11. Ivanitsky A.M., Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A. Cortical connectivity during word association search // Int. J. Psychophysiol. - 2001. Vol. 42. No 1. - pp. 35-53;11. Ivanitsky A.M., Nikolaev A.R., Ivanitsky G.A. Cortical connectivity during word association search // Int. J. Psychophysiol. - 2001. Vol. 42. No 1. - pp. 35-53;

12. Nunez P., Wingeier В., Silberstein R. Spatial-temporal structures of human alpha rhythms: theory, microcurrent sources, multiscale measurements, and global binding of networks // Hum. Brain Mapp. - 2001. V. 13. - pp.125-164;12. Nunez P., Wingeier B., Silberstein R. Spatial-temporal structures of human alpha rhythms: theory, microcurrent sources, multiscale measurements, and global binding of networks // Hum. Brain Mapp. - 2001. V. 13. - pp. 125-164;

13. Soroko S.I. Aldasheva A.A. Individual strategies of human adaptation to extreme conditions // Human Physiology. - 2012. - T. 38. - №6. - P. 78-8613. Soroko S.I. Aldasheva A.A. Individual strategies of human adaptation to extreme conditions // Human Physiology. - 2012. - T. 38. - No. 6. - P. 78-86

14. Русинов B.C., Гриндель O.M., Болдырева Г.Н., Вакар E.M. Биопотенциалы мозга человека (математический анализ). - М.: Медицина, 1987. С. 67-254.14. Rusinov B.C., Grindel O.M., Boldyreva G.N., Vakar E.M. Biopotentials of the human brain (mathematical analysis). - M.: Medicine, 1987.S. 67-254.

Claims (1)

Способ диагностики функционального состояния головного мозга по параметрам синхронизации нейронных сетей, характеризующийся тем, что на основе регистрации биопотенциалов головного мозга в состоянии покоя с открытыми и закрытыми глазами, регистрации биопотенциалов головного мозга при решении когнитивной задачи, записанных в течение 15-30 минут, из записанных ЭЭГ выявляют путем анализа эпохи в 2,5 секунды, в которых более 40% отведений синхронизированы по частоте 7-13 Гц; осуществляют периодометрический анализ всех выделенных эпох в альфа-диапазоне 7-13 Гц; далее осуществляют выявление генерализаций - участков обработанных энцефалограмм, где более 80% отведений синхронизированы; формируют таблицы межполушарной асимметрии более 15% по полной мощности спектра альфа-ритма, строят графики межполушарной и внутриполушарной асимметрии по полученным периодически возникающим рисункам синхронизации со степенью схожести более 80%, определяют степени внутри- и межполушарной асимметрии и ее локализации у конкретного индивидуума.A method for diagnosing the functional state of the brain according to the parameters of synchronization of neural networks, characterized in that, based on recording the brain’s biopotentials at rest with open and closed eyes, registering the brain’s biopotentials when solving a cognitive task, recorded within 15-30 minutes, from recorded EEG is detected by analyzing the era in 2.5 seconds, in which more than 40% of the leads are synchronized at a frequency of 7-13 Hz; carry out periodometric analysis of all selected eras in the alpha range of 7-13 Hz; then they carry out the identification of generalizations - areas of processed encephalograms, where more than 80% of the leads are synchronized; form tables of interhemispheric asymmetry of more than 15% of the total power of the alpha rhythm spectrum, build graphs of interhemispheric and intrahemispheric asymmetry from periodically occurring patterns of synchronization with a degree of similarity of more than 80%, determine the degree of intra- and interhemispheric asymmetry and its localization in a particular individual.
RU2018136806A 2018-10-18 2018-10-18 Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters RU2706666C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018136806A RU2706666C1 (en) 2018-10-18 2018-10-18 Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018136806A RU2706666C1 (en) 2018-10-18 2018-10-18 Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2706666C1 true RU2706666C1 (en) 2019-11-19

Family

ID=68580046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018136806A RU2706666C1 (en) 2018-10-18 2018-10-18 Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2706666C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU94027310A (en) * 1994-07-18 1996-11-10 Иркутский государственный медицинский институт Минздрава РФ Method for diagnosis of pathological changes of brain and spinal cord
RU2154979C2 (en) * 1998-05-06 2000-08-27 Нижегородская государственная медицинская академия Method for diagnosing psychophysical disadaptation in patients possessing initial forms of chronic cerebrovascular pathologic changes
US20170042474A1 (en) * 2014-04-25 2017-02-16 The General Hospital Corporation Method for cross-diagnostic identification and treatment of neurologic features underpinning mental and emotional disorders

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU94027310A (en) * 1994-07-18 1996-11-10 Иркутский государственный медицинский институт Минздрава РФ Method for diagnosis of pathological changes of brain and spinal cord
RU2154979C2 (en) * 1998-05-06 2000-08-27 Нижегородская государственная медицинская академия Method for diagnosing psychophysical disadaptation in patients possessing initial forms of chronic cerebrovascular pathologic changes
US20170042474A1 (en) * 2014-04-25 2017-02-16 The General Hospital Corporation Method for cross-diagnostic identification and treatment of neurologic features underpinning mental and emotional disorders

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Бразовский К.С. Методы и технические средства оценки функционального состояния головного мозга человека на основе электрических измерений, дисс. на соиск. д.т.н., Томск, 2015, 369 с. *
Бразовский К.С. Методы и технические средства оценки функционального состояния головного мозга человека на основе электрических измерений, дисс. на соиск. д.т.н., Томск, 2015, 369 с. Звездочкина Н.В. Исследование электрической активности головного мозга человека, уч-мет пособие, Казань, 2014, 59 с. Новикова С.И. Ритмы ЭЭГ и когнитивные процессы, Современная зарубежная психология, 4(1), 2015, с. 91-108. Sauseng P. et al. Control mechanisms in working memory: A possible function of EEG theta oscillations, Neuroscience and Biobehavioral Reviews, 2010, Vol. 34 p. 1015-1022. *
Звездочкина Н.В. Исследование электрической активности головного мозга *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kucyi et al. Intracranial electrophysiology reveals reproducible intrinsic functional connectivity within human brain networks
CN107788970B (en) Mental load assessment method based on multi-physiological parameter method fusion
Nir et al. Interhemispheric correlations of slow spontaneous neuronal fluctuations revealed in human sensory cortex
Norton et al. Electroencephalographic recordings during withdrawal of life-sustaining therapy until 30 minutes after declaration of death
Greco et al. Lateralization of directional brain-heart information transfer during visual emotional elicitation
Shepherd et al. Electrophysiological approaches to noise sensitivity
Liberati et al. Tonic thermonociceptive stimulation selectively modulates ongoing neural oscillations in the human posterior insula: Evidence from intracerebral EEG
Leite et al. Transfer function between EEG and BOLD signals of epileptic activity
Kuo et al. Decoding the perception of endogenous pain from resting-state MEG
Molina et al. Electroencephalographic and peripheral temperature dynamics during a prolonged psychomotor vigilance task
Marsh et al. PET and P300 relationships in early Alzheimer's disease
Hussain et al. Spatial wavelet-based coherence and coupling in EEG signals with eye open and closed during resting state
Reyes et al. Qualitative and quantitative EEG abnormalities in violent offenders with antisocial personality disorder
Park et al. Individual differences in cardiac vagal tone are associated with differential neural responses to facial expressions at different spatial frequencies: An ERP and sLORETA study
Subramanyam et al. Mental workload and cognitive fatigue: A study.
Chacko et al. A single bout of vigorous-intensity aerobic exercise affects reactive, but not proactive cognitive brain functions
Catrambone et al. Wavelet p-leader non-gaussian multiscale expansions for eeg series: an exploratory study on cold-pressor test
Lou et al. Multichannel linear descriptors analysis for event-related EEG of vascular dementia patients during visual detection task
Lin et al. Electroencephalography symmetry in power, waveform and power spectrum in major depression
Mayeli et al. Integration of simultaneous resting-state electroencephalography, functional magnetic resonance imaging, and eye-tracker methods to determine and verify electroencephalography vigilance measure
RU2706666C1 (en) Diagnostic technique for functional state of brain by neural networks synchronization parameters
Poza et al. Analysis of spontaneous MEG activity in mild cognitive impairment and Alzheimer's disease using Jensen's divergence
Trambaiolli et al. Resting-awake EEG amplitude modulation can predict performance of an fNIRS-based neurofeedback task
Rahman et al. Long-term monitoring of nirs and eeg signals for assessment of daily changes in emotional valence
Saidatul et al. The assessment of developed mental stress elicitation protocol based on heart rate and EEG signals

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201019