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

1. Лекция 3. Методы исследований в когнитивной нейронауке

Частотно-временной анализ
нейрофизиологических данных в
исследованиях психических
феноменов
Лекция 3. Методы исследований в
когнитивной нейронауке

2.

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

3. Сравнительный обзор методов регистрации

4. Магнитно-резонансная томография

5. Магнитно-резонансная томография. Принципы

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

6. Магнитно-резонансная томография. Анализ

Сбор данных
Коррекция движений головы
Предобработка
Ко-регистрация
Н ормализация
Сглаживание
Анализ данных

7. Структурная МРТ

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

8. Функциональная МРТ

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

9. Диффузионно-тензорная МРТ

• Измерение диффузии
молекул воды
• Трактография
• Построение коннектомов

10. Электроэнцефалография. Принципы

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

11. Электроэнцефалография. Принципы

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

12. Электроэнцефалография. Анализ

13. Электроэнцефалография. Анализ

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

14. Магнитоэнцефалография

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

15. Магнитоэнцефалография. Применение

16. Неинвазивная стимуляция мозга

Транскраниальная
Магнитная Стимуляция
(ТМС)
Транскраниальная
Электрическая Стимуляция
(ТЭС)

17. Транскраниальная электрическая стимуляция. Виды

Стимуляция постоянным
электрическим током
Стимуляция “случайным
шумом”
Стимуляция переменнымтоком

18. - - -

Стимуляция постоянным током. Принципы
Катод
--Ионы (Ca 2+ ,
Na + , K + , Cl - )
Заряженные частицы
++
+
Анод

19.

Стимуляция постоянным током. Принципы
Изменение
концентрации ионов
Изменение
потенциала покоя

20. Стимуляция постоянным током. Эффекты

Изменение моторного порога
(показатель возбудимости) после катодной и
анодной стимуляции
• Эффект зависит от
полярности
• Оффлайн-эффект
• Краткосрочный эффект

21. Неинвазивная стимуляция мозга. ТМС vs ТЭС

22. Транскраниальная электрическая стимуляция. Виды

Стимуляция постоянным током
Стимуляция “случайным
шумом”
Стимуляция переменным током

23. Стимуляция переменным токов| Принципы

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

24. Транскраниальная электрическая стимуляция. Применение

• Модуляция (возбуждение или ингибирование)
определенных зон коры мозга –
изменения в поведении индивида
• “Neuroenhancement” – временное улучшение
когнитивных способностей

25. Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы

1. Электрический ток в катушке
2. Магнитное поле,
проникающее под скальп
3. Электрический ток в мозге
Распределение интенсивности
электрического поля зависит от
формы катушки

26. Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы

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

27. Транскраниальная магнитная стимуляция. Разновидности и эффекты

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

28. Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы

Амлитуда МВП, μV
• ТМС единичными импульсами – “проба” для
оценки возбудимости (M1/V1)
Время, мс

29. Транскраниальная магнитная стимуляция. Принципы

• ТМС парными импульсами – оценка баланса
возбуждения/торможения:
Под воздействием веществ
В разных состояниях
При заболеваниях
• Ритмическая ТМС – долговременная (~30 мин) модуляция
стимулируемых зон:
“Функциональное картирование” – оценка вклада
стимулируемых зон в изучаемые процессы
Применение в медицине (лечение фармакорезистентной
депрессии)