|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Изучение роли ритмов электрической активности мозга в формировании двигательных образов и сенсомоторной интеграцииНИР
A study of the role of neural oscillations of the human brain in motor imagery and sensorimotor integration
- Руководитель НИР: Васильев А.Н.
- Подразделение: Кафедра физиологии человека и животных
- Срок исполнения: 1 ноября 2019 г. - 31 октября 2022 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 19-315-60011 - Перспектива
- Номер ЦИТИС: АААА-А19-119110690088-8
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Физиологические механизмы деятельности, развития и устойчивости организма человека и животных
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Нано-, био-, информационные, когнитивные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.39.17 Физиология центральной нервной системы
- 34.39.23 Высшая нервная деятельность. Поведение
- 34.39.55 Физиология различных видов деятельности человека
- Классификатор OECD: Нейробиология
-
Ключевые слова:
ритмическая активность мозга, десинхронизация, представление движений, моторное познание, ээг, телесно-воплощенное познание, мю-ритм, сенсомоторная кора
sensorimotor cortex, motor imagery, desynchronization, motor cogniton, brain oscillations, mu-rhythm, embodied cognition -
Описание:
Отсутствие целостного понимания роли ритмов электрической активности мозга в реализации когнитивно-моторных функций мозга приводит к возникновению сегрегированных областей исследований, дающих разные интерпретации функциональной значимости ритмических компонентов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и магнитоэнцефалограммы (МЭГ). Эта проблема является крайне серьезной, поскольку в настоящее время активно ведется внедрение технологий реабилитационных тренировок, использующих сенсомоторные ритмы (СМР) для оценки степени активации сенсомоторной системы больного. Одним из наиболее существенных фундаментальных противоречий о функциях сенсомоторных ритмов является их привязка к функции соматосенсорного восприятия: остается неясным, в какой мере динамика ритмических компонентов ЭЭГ описывает процессы активации двигательной программы, мысленного представления или намерения к движению, а какую роль в этой динамике играет афферентный поток информации. Решение этой проблемы позволит ответить на вопрос об эффективности применения ЭЭГ(МЭГ)-показателей для контроля идеомоторных тренировок у пациентов с поражением центрального звена двигательной системы, а также для диагностики и коррекции нарушений проприоцептивной чувствительности и восприятия движений. Использование широкого спектра методов исследования когнитивно-моторных функций мозга позволит сформулировать фундаментальную гипотезу о функциональной роли СМР в реализации намеренного движения, генерации и мысленной манипуляции двигательным образами, сенсомоторной интеграции движений и соматосенсорного восприятия. На основании полученных результатов будут разработаны методические рекомендации для применения количественных показателей ритмической активности ЭЭГ/МЭГ в фундаментальных и прикладных исследованиях.
-
Abstract:
The lack of a holistic understanding of the role of brain neural oscillations in cognitive-motor functions leads to the emergence of segregated research areas, which give different interpretations of the functional significance of the rhythmic components of the electroencephalogram (EEG) and magnetoencephalogram (MEG). This problem is extremely important, because of the introduction of rehabilitation training technologies that use sensorimotor rhythms (SMR) to assess the degree of activation of the patient's sensorimotor system. One of the most significant fundamental contradictions about the functions of sensorimotor rhythms is their connection to the function of somatosensory perception, i.e. it remains unclear to what extent the dynamics of rhythmic components of the EEG describes the processes of activation of the motor program, mental representation or intention to move, and to which extent sensory sensations affect this dynamic. The solution of this problem will allow us to answer the question about the effectiveness of instrumental role of EEG (MEG) in motor imagery training for patients with central lesion of the motor system, as well as whether EEG-SMR could be used for diagnosing disorders of proprioceptive sensitivity and perception of movements. The use of a wide range of methods for studying cognitive-motor functions of the brain will allow us to formulate a fundamental hypothesis about the functional role of SMR in conducting intentional movement, generation and mental manipulation of motor images, sensorimotor integration of movements and somatosensory perception. Based on the obtained results, there will be developed a set of methodological recommendations for the use of quantitative indicators of the rhythmic activity of EEG / MEG in basic and applied research.
-
Планируемые результаты:
1. Будут проанализированы внутрииндивидуальные различия в динамике сенсомоторных ритмов ЭЭГ при выполнении когнитивно-моторных задач, выполнении движений и соматосенсорной стимуляции. Выдвинута (дополнена) фундаментальная теория о роли отдельных компонентов ритмической активности в обеспечении сенсорных, моторных и когнитивных функций мозга. 2. Будет выявлена роль параметров сенсорных стимулов, сопутствующих или побуждающих к выполнению когнитивно-моторной деятельности, выдвинуты теоретические обоснования проявления различий в активности СМР при изменении параметров сенсорных стимулов. Полученные результаты могут быть использованы для повышения эффективности идеомоторных тренировок. 3. Будут получены результаты тестирования гипотезы о ключевой роли соматосенсорной чувствительности в формировании двигательных образов и сопутствующих реакций ритмов ЭЭГ. Это позволит дать оценку о перспективности (потенциальной эффективности) применения ЭЭГ-контроля идеомоторного тренинга у больных с расстройствами проприоцептивной чувствительности. 4. Будет проведено сравнение быстрых и медленных ритмов электромагнитной активности мозга, выдвинута гипотеза о их роли в регуляции процессов восприятия, произведения движений и моторном мышлении. Полученные данные могут быть использованы для диагностики и коррекции расстройств, связанных с нарушением работы коркового звена двигательной системы. 5. Будет выдвинута гипотеза о происхождении и функциональной значимости межиндивидуальных различий в динамике сенсомоторных ритмов ЭЭГ/МЭГ. Это позволит оценить перспективы применения индивидуализированного подхода к тренингу и диагностики на основе биоэлектрических ритмов мозга. 6. Будут приведены и систематизированы методологические обоснования для применения анализа отдельных показателей ритмической активности мозга для изучения когнитивно-моторных процессов и процессов восприятия движения. 7. Будут разработаны рекомендации по практической реализации когнитивно-моторных упражнений в целях реабилитации движений, а также оценки их эффективности с использованием количественных показателей сенсомоторных ритмов.
-
Научный задел:
Получен опыт углубленного исследования представления движений, проведения сопутствующих психометрических тестирований, оценки физиологических эффектов представления движений с применением методик ЭЭГ, транскраниальной магнитной стимуляции – результаты опубликованы в российских и зарубежных журналах, были доложены на международных конференциях (Васильев и др., 2016, Vasilyev et al., 2017, Либуркина и др., 2018). • Защищена диссертация на соискания кандидата биологических наук на тему «Нейрофизиологическое исследование паттернов активации сенсомоторной коры головного мозга человека при представлении движений», где в числе прочих получены новые результаты, свидетельствующие о первоочередном вовлечении соматосенсорной чувствительности в формирование СМР-десинхронизации. • Разработана авторская многосессионная методика обучения кинестетическому представлению движений здоровых испытуемых и клинических пациентов (Васильев и др., 2016). • Разработан вычислительный метод оценки десинхронизации/синхронизации СМР при моторных, когнитивных задач и тактильной/зрительной стимуляции. Метод был успешно применен для изучения пространственно-временных характеристик сенсомоторных ритмов и для реализации интерфейса мозг-компьютер (Vasilyev et al., 2017). • Разработано собственное программное обеспечения для организации корегистрации ЭЭГ/МЭГ/айтрекинг, презентации статических стимулов и видеопоследовательностей, осуществления тактильной, вибротактильной стимуляций и ФЭС (свидетельство о регистрации ПО #2019615827).
- Добавил в систему: Васильев Анатолий Николаевич
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 ноября 2019 г.-31 октября 2020 г. | Изучение роли ритмов электрической активности мозга в формировании двигательных образов и сенсомоторной интеграции |
| Результаты этапа: | ||
| 2 | 1 ноября 2020 г.-31 октября 2021 г. | Изучение роли ритмов электрической активности мозга в формировании двигательных образов и сенсомоторной интеграции |
| Результаты этапа: [1] Изучена динамика сенсомоторного ритма ЭЭГ при мысленной синхронной имитации движения, наблюдаемого от первого лица на видеоэкране - новом, предложенном в данном исследовании способе двигательного представления. Было показано, что мысленная кинестетическая симуляция наблюдаемого движения не приводит к увеличению десинхронизации сенсомоторных ритмов по сравнению с самопроизвольном представлением такого же движения. Впервые установлено, что во временном ходе десинхронизации мю-ритма возникают пертурбации, зависящие от фазы и скорости наблюдаемого движения как при его мышечном повторении, так и при мысленной синхронной имитации. В настоящей работе тестируется новый способ представления – мысленная синхронная имитации движения, наблюдаемого от первого лица на видеоэкране. Благодаря использованию покадровой разметки фаз движения впервые были изучены ответы сенсомоторных ритмов на отдельные фазы представляемого движения. Для анализа был использован современный метод обобщенных аддитивных моделей (GAM), позволяющий компактно описывать нелинейную зависимость функций ответа от количественных показателей стимула. Обнаруженное подобие функций ответов сенсомоторного ритма на отдельные воображаемые и выполняемые движения является доказательством сходства механизмов запуска и контроля движения и развития двигательных образов при мысленной симуляции. Эта закономерность может быть использована для контроля за качеством двигательных образов в идеомоторном тренинге, аналогично методу "ментальной хронометрии", при котором корректность мысленного образа определяемся по его временному сходству с реально выполняемым движением. Дополнительно, при доработке методики повышением ритмичности и предсказуемости движения можно увеличить надежность связи амплитудных характеристик ответов и параметров движений на видеоролике, что может стать достаточным для получения достоверных оценок ответов на сравнительно коротких периодах времени (менее минуты). Это может быть использовано для оптимизации параметров движений в индивидуальных системах идеомоторных тренировок с ЭЭГ контролем для вызова наибольшей сенсомоторной активации. [2] Проведено тестирование игровых заданий на имплицитное представление движение, включающих мысленное вращение рук и мысленную печать на клавиатуре. Показано, что мысленная стратегия решения заданий варьирует у испытуемых и, в случае с мысленной печатью, зависит от уровня экспертизы в слепой печати на клавиатуре. Выполнен сравнительный анализ десинхронизации сенсомоторных ритмов ЭЭГ при решении задач на имплицитное представлении движений и ряде сенсомоторных условий, включающих эксплицитное представление. В работе использован новый метод исследования с использованием ЭОГ-айтрекинга для сегментирования значимых эпох. Используемые в настоящем исследовании задания на имплицитное представление движений ранее использовались лишь как элементы поведенческого тестирования, но не в игровых режимах, а исследований сопутствующей динамики сенсомоторных ЭЭГ ритмов ранее не проводилось. Впервые проведено сравнение десинхронизации сенсомоторных ритмов ЭЭГ при имплицитном представлении движений и ряде сенсомоторных условий, включающих эксплицитное представление. Показанные высокая схожесть пространственных и частотных паттернов при имплицитном и эксплицитном представлении, говорят о пригодности использования таких заданий в качестве альтернативы идеомоторного тренинга. Такой метод тренировки имеет преимущество в виде возможности поведенческой оценки результатов тренировок (точности и скорости решения заданий), связанной с навыком использования представления движений; последнее само по себе может служить средством профилактики деменции в условиях иммобилизации или сниженной моторной активности. [3] Проведено тестирование регламентов корегистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и магнитоэнцефалограммы (МЭГ) в задачах на десинхронизацию сенсомоторных мю- и бета- ритмов. Установлена достоверно значимое улучшение отношение сигнал/шум (от 1.5 до >3 раз) при регистрации магнитных бета-ритмов с помощью МЭГ по сравнению с ЭЭГ. Проведенные тестирования регламентов корегистрации и оценка воспроизводимости амплитудно-частотных характеристик компонентов сенсомоторных ритмов является важным методическим шагом для проведения дальнейших исследований на конкретном оборудовании. Полученные результаты свидетельствуют о более высокой чувствительности магнитоэнцефалографии к динамике бета-осцилляций по сравнению с ЭЭГ. За счёт увеличенного динамического диапазона бета-колебаний использование МЭГ позволит более детально изучить наблюдаемые нами ранее независимые эффекты синхронизации и десинхронизации бета-ритмов, в т.ч. у испытуемых с низким уровнем ритмической активности. | ||
| 3 | 1 ноября 2021 г.-31 октября 2022 г. | Изучение роли ритмов электрической активности мозга в формировании двигательных образов и сенсомоторной интеграции |
| Результаты этапа: > Было показано, что у ненаивных испытуемых при представлении движений формируется устойчивый и воспроизводимый паттерн депрессии сенсомоторных ритмов с характерным пространственным и амплитудным распределениями, и не требующий для своего поддержания дополнительной внешней стимуляции или обратной связи. > Детальное изучение плотностей вероятности амплитуд мю-ритма, а также их сравнение между условиями выполнения и представления движения выявило два вероятных механизма модуляция уровня синхронности: за счёт дискретного переключения между двумя уровнями синхронизации и изменении количества асинхронно работающих нейронов. > Разработана методика мысленной синхронной имитации наблюдаемой от первого лица последовательности движений и проведено её испытание на испытуемых-добровольцах с варьированием параметров скорости, частоты и предсказуемости отдельных движений. С применением обобщенных аддитивных моделей было впервые установлено, что во временном ходе десинхронизации мю-ритма возникают пертурбации, зависящие от фазы и скорости наблюдаемого движения как при его синхронном мышечном повторении, так и при мысленной синхронной имитации (представлении). > Был разработан новый экспериментальный протокол для исследования воображаемых движений, используемых для мышления – ненамеренного, имплицитного представления собственных движений. Показаны высокая схожесть пространственных и частотных паттернов при имплицитном и эксплицитном представлении, на основе чего сделаны выводы о пригодности использования таких заданий в качестве альтернативы идеомоторного тренинга. > Впервые показано, что в случае индукции у испытуемого зеркальной иллюзии при выполнении произвольных и непроизвольных движений, происходит выраженное снижение синхронизации сенсомоторного бета-ритма после движения в обоих полушариях. > Разработан и применен метод увеличения топографической и количественной чувствительности к модуляции сенсомоторного ритмов за счёт объединения его магнитного и электрического компонентов. > Было доказано наличие двух независимых по частоте и локализации источников бета-ритма: высокочастотный (20-30 Гц) компонент десинхронизируется при сенсомоторной нагрузке, включающей внимание к стимулам или собственным действиям, тогда как низкочастотный (14-20 Гц) синхронизуется после окончания движения и характерен для условий с активацией периферического звена: движений и стимуляции нервов. Полученные результаты оспаривают гипотезу о т. н. «бета-отскоке», понимающую синхронизацию после движения как гиперкомпенсацию ранее подавленного бета-ритма. > Показаны увеличенная выраженность десинхронизации магнитного компонента бета-ритма по сравнению с электрическим и внутрииндивидуальная пространственная вариабельность его источников при представлении движения, что свидетельствует о большем вкладе тангенциальных диполей извилин коры в формировании осцилляций в 20-герцовом диапазоне. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".