В этой статье рассматривается определение вызванных потенциалов (ВП), их роль в нейрофизиологических исследованиях, а также описывается система «Генератор стимулов», которая была разработана для проведения экспериментов по изучению активности головного мозга.
Ключевые слова: вызванные потенциалы, внешний стимул, электроэнцефалограмма (ЭЭГ), генератор стимулов
Вызванные потенциалы (ВП) представляют собой нейрофизиологические реакции на внешние стимулы и регистрируются с помощью специализированных методов, таких как электроэнцефалография (ЭЭГ) или магнитоэнцефалография (МЭГ). Во время записи испытуемые подвергаются воздействию контролируемых сенсорных стимулов, соответствующих интересующей их модальности, таких как зрительные, слуховые или соматосенсорные стимулы [1, с. 289]. Возникающие при этом электрические сигналы нервной системы улавливаются оптимально расположенными электродами на коже головы или в других соответствующих анатомических точках. Затем эти сигналы усиливаются и обрабатываются для повышения соотношения сигнал/шум, например, с помощью такого метода, как усреднение сигнала. Этот тщательный процесс позволяет выделить специфические паттерны реакции, связанные с предъявляемыми стимулами. После обработки сигнала дальнейший анализ включает в себя идентификацию отдельных компонентов, например, P100 в зрительных вызванных потенциалах (ЗВП), N100 в слуховых вызванных потенциалах (СВП) [1, с. 290]. Амплитуда и латентность этих компонентов служат количественными показателями, отражающими целостность и эффективность путей сенсорной обработки.
Клиническое применение вызванных потенциалов (ВП) распространяется на диагностическую сферу, позволяя получить более глубокое представление о неврологических заболеваниях и служа бдительным дозорным при хирургических вмешательствах. Помимо диагностики, ВП позволяют выявлять нарушения в работе коры головного мозга. Во время операций, затрагивающих критические нейронные структуры, такие как спинной мозг или ствол головного мозга, непрерывная оценка ВП обеспечивает сохранение неврологических функций. Мониторинг изменений ВП в режиме реального времени позволяет оперативно выявить надвигающийся неврологический компромисс и своевременно принять меры для смягчения возможных неблагоприятных исходов.
Несмотря на неоценимую пользу, которую приносят вызванные потенциалы (ВП), присущие им проблемы заставляют задуматься о совершенствовании и будущем развитии. Главная проблема заключается в присущей записи ВП вариабельности, обусловленной такими факторами, как индивидуальные различия в анатомии и физиологии [6, с. 118]. Эта изменчивость требует тщательного подхода к стандартизации для повышения надежности и воспроизводимости данных ВП.
Будущие направления исследований ВП предполагают развитие технологий и расширение клинического применения. Технологические инновации, такие как высокоплотные электродные решетки и усовершенствованные алгоритмы обработки сигнала, обещают повысить пространственное и временное разрешение записей ВП. Эти инновации призваны раскрыть более тонкие детали нейронных ответов, обеспечивая более полное понимание сенсорной и когнитивной обработки. Расширение клинического репертуара ВП предполагает поиск новых применений за пределами традиционной неврологии. Включение оценки ВП в такие области, как психиатрия и реабилитационная медицина, расширяет сферу потенциальных диагностических и терапевтических возможностей. Кроме того, в последние годы этот метод активно интегрируются в разработки по управлению техникой силой мысли при помощи интерфейсов мозг-компьютер (brain-computer interface — BCI). Это открывает новые перспективы не только в медицинской практике, но и в областях, связанных, например, с технологиями виртуальной реальности.
ПО для проведения исследований активности мозга
Для проведения исследований активности мозга было разработано программное обеспечение (ПО) для генерации стимулов, записи и разметки ЭЭГ сигнала в соответствии с моментами возникновения событий и действиями испытуемого.
Для записи электроэнцефалограммы использовалось стороннее ПО — NeuroPlay [3]. NeuroPlay представляет собой мощный инструмент для записи и обработки ЭЭГ, который доступен для работы в режиме сервера, благодаря чему становится возможным управление функционалом посредством HTTP запросов. Перечень всех доступных команд можно найти в официальной документации API NeuroPlay [4]. Для регистрации мозговой активности применялись нейроинтерфейсы, которые по каналу Bluetooth, подключаются к NeuroPlay и в режиме реального времени передают данные о работе мозга.
Таким образом, сформировалась схема взаимодействия компонентов системы для исследования активности мозга, она приведена на рисунке 1
Рис. 1. Схема взаимодействия компонентов системы для исследования активности мозга
Для стимулирования активности мозга были реализованы три простых эксперимента на генерацию зрительных и слуховых стимулов:
1) «Геометрическая фигура» — в случайной последовательности показывается зелёный или красный круг. При появлении зелёного круга следует нажать клавишу «пробел», при появлении красного круга ничего делать не требуется.
2) «Арифметические вычисления» — случайным образом формируется задание на простые арифметические вычисления с результатом не превосходящим 100. Необходимо вычислить результат: если он получился чётным, следует нажать клавишу «пробел», в противном случае ничего делать не требуется
3) «Род существительного» — в случайном порядке воспроизводятся звуковые файлы с существительными. Необходимо определить род существительного: если он получился мужским, следует нажать клавишу «пробел», в противном случае ничего делать не нужно.
Перед началом эксперимента в окне настройки задаются параметры экспериментов, пример параметров для эксперимента «Геометрическая фигура» представлен на рисунке 2.
Рис. 2. Окно для установки параметров эксперимента «Геометрическая фигура»
После старта эксперимента в соответствии с выбранным сценарием и заданными параметрами испытуемому генерируются события и ведётся запись ЭЭГ, на которой ставятся временные метки, отражающие моменты, когда возникло событие и когда испытуемый отреагировал на него. По завершении эксперимента, на выходе получается файл в формате edf (стандартный формат файла, предназначенный для обмена и хранения медицинских временных рядов), содержащий размеченную запись ЭЭГ (Рисунок 3)
Рис. 3. Просмотр ЭЭГ, размеченной в ходе эксперимента «Арифметические вычисления»
Полученные в результате экспериментов ЭЭГ в дальнейшем можно использовать, например, для диагностики и мониторинга неврологических расстройств, путем идентификации аномальных паттернов мозговой активности или в разработке интерфейсов мозг-компьютер: такие данные могут быть использованы для создания систем, которые реагируют на определенные паттерны мозговой активности, позволяя людям управлять внешними устройствами силой мысли.
В заключение стоит отметить, что вызванные потенциалы (ВП) являются критически важным аспектом современного изучения работы головного мозга, обеспечивая динамический обзор тонкостей сенсорной и когнитивной обработки. Хотя этот метод сталкивается с проблемами вариативности записи и интерпретации, постоянный прогресс в технологии обещает улучшить пространственное и временное разрешение. В ходе исследования была разработано программное обеспечение для записи и разметки ЭЭГ в соответствии с предъявленными стимулами и реакциями испытуемых, что значительно упрощает процесс анализа и интерпретации данных. Это позволит исследователям более точно определять, как мозг реагирует на различные стимулы, углубляя понимание нейронных механизмов, лежащих в основе когнитивных функций. Таким образом, интеграция передовых технологий с методом вызванных потенциалов открывает новые горизонты в нейронауке и предоставляет возможности для более глубокого изучения сложных процессов головного мозга.
Литература:
1. Боричева, Д. О. Акустические стволовые и когнитивные вызванные потенциалы при хроническом нарушении мозгового кровообращения / Д. О. Боричева, Л. М. Тибекина, А. А. Александров // Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. — 2019. — Т. 105, № 3. — С. 284–294. — DOI 10.1134/S0869813919030026. — EDN FKZCSB. (дата обращения: 08.12.2023).
2. Новые грани неврологии — нейропластичность / Х. К. С. Тамбиева, Р. И. Тамбиева, Д. И. Тамбиева, Д. А. Гагиева // International Journal of Medicine and Psychology. — 2023. — Т. 6, № 1. — С. 118–120. — EDN ICEHTR. (дата обращения: 11.12.2023).
3. Что такое NeuroPlay и зачем он вам нужен? [Электронный ресурс] / Электрон. дан. URL: https://neuroplay.ru/#application2/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.12.2023)
4. NeuroPlayPro API reference [Электронный ресурс] / Электрон. дан. URL: https://neuroplay.ru/api/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 15.12.2023)
