Нейробиологи из Высшей школы экономики и Университетской клиники Шарите в Берлине разработали новый многомерный метод прогнозирования поведенческой реакции на стимул с использованием информации о фазе предшествующих нейронных колебаний, записанной с помощью ЭЭГ. В конечном итоге метод может найти практическое применение в таких областях, как спортивные состязания, образование и лечение пациентов. Результаты исследования опубликованы в статье под названием "Об оптимальной пространственной фильтрации для обнаружения фазовой связи в многомерных нейронных записях" в NeuroImage.
Даже в состоянии покоя человеческий мозг непрерывно генерирует сложные паттерны нейронных колебаний, которые можно обнаружить с помощью ЭЭГ. Эти колебания происходят на разных частотах – e.грамм. альфа на 10 Гц, бета на 20 Гц и тета на 7 Гц – и регистрируются приборами как изменения электрического поля, генерируемого нейронами в головном мозге. Согласно популярной гипотезе, способность реагировать на сенсорные стимулы и обрабатывать информацию зависит от амплитуды и фазы колебаний нейронов в момент появления стимула.
"Представьте, что кому-то нужно запомнить представленные ему слова. Интересно, что то, насколько хорошо они запоминают конкретное слово, зависит от характеристик нейронного сигнала в их мозгу, непосредственно предшествующего тому моменту, когда они слышат это слово. В качестве другого примера, время реакции олимпийских бегунов на 100 метров на стартовый пистолет может варьироваться на десятки миллисекунд, что является довольно большим разбросом, учитывая важность этих миллисекунд на финишной прямой. Даже время реакции одного и того же спортсмена может значительно различаться в зависимости от текущего состояния его мозга.
Мы склонны реагировать быстрее, когда наш мозг находится в оптимальном состоянии для обработки информации, и медленнее, когда это не так. В свою очередь, оптимальное состояние, приводящее к быстрым ответам, связано с определенными параметрами нейронных колебаний," – объясняет Вадим Никулин, соавтор исследования, ведущий научный сотрудник Центра познания и принятия решений НИУ ВШЭ.
Ученые уже знают, что реакция человека на раздражитель зависит от множества факторов, в том числе от фазы низкочастотных колебаний в головном мозге во время воздействия раздражителя. Но на этот раз исследователи разработали новый многомерный метод для максимизации взаимосвязи между фазой нейронных колебаний и последующей поведенческой реакцией (e.грамм. время реакции на раздражитель, запоминание сенсорного раздражителя и т. д.) Они регистрировали активность мозга человека с помощью 90 электродов и, в отличие от более ранних исследований, проанализировали ее с учетом многомерного распределения параметров нейронных колебаний для более точного прогнозирования времени реакции.
Испытуемых просили как можно скорее ответить на тактильный раздражитель. Датчик, прикрепленный к указательному пальцу доминирующей руки, регистрировал мышечную активность в ответ на соматосенсорный стимул, приложенный к указательному пальцу другой руки. В то же время ЭЭГ использовалась для записи нейронных колебаний их мозга, которые всегда присутствуют, но демонстрируют широкую изменчивость с течением времени. Авторы показали, что скорость реакции зависит от фазы низкочастотной (<1 Гц) нейронные колебания, предшествующие стимулу.
По словам исследователей, этот новый метод может быть полезен для выявления нейронных процессов, связанных с оптимальным ответом на стимулы. В практическом аспекте это может иметь отношение к соревновательным видам спорта и для клинической практики.грамм. позволяя медикам понять патологические нейронные процессы, связанные с болезнью Паркинсона, вызывающие у пациентов проблемы с началом движения. "Использование более чувствительных методов извлечения нейрональных сигналов позволяет идентифицировать фазы нейронных колебаний, связанные с максимальным использованием ресурсов мозга," говорит Никулин. "Мы также можем представить себе недалекое будущее, когда студенты, носящие кепки с электродами ЭЭГ, будут учить новые слова иностранного языка, представленные им именно в моменты максимальной восприимчивости к такой информации."
Протестировав модель на моторной парадигме, исследователи недавно вступили в новую фазу своего исследования, сфокусированного на восприятии визуальных сигналов.