Исследование особенностей в активности головного мозга человека в патологическом состоянии

Научное направление: прикладные научно-технологические разработки в области медицины и биомедицины: ИТ решения

1 место

Проект представил: Журавлев Максим Олегович

Авторы: Протасов Павел Александрович, Саматова Камила Саматовна, Попова Маргарита Андреевна, Новиков Михаил Юрьевич, Сельский Антон Олегович

Научный руководитель: Руннова Анастасия Евгеньевна

Организация: Саратовский ГМУ им. В.И. Разумовского

Актуальность, научная новизна: 

Предлагаемый проект направлен на изучение новых аспектов синхронной и асинхронной активности в сигналах различных физиологических систем и центральной нервной системы для понимания фундаментальных механизмов вегетативной регуляции и функционирования коры головного мозга с использованием естественной модели нарушения сенсорного восприятия – пациентов с патологическим состоянием мигрени [de Tommaso M. An update on EEG in migraine Expert Review of Neurotherapeutics 19.8 (2019): 729; Kurth T., et al. (2019). Epidemiology, Assessment, and Diagnosis of Migraine. The Medical Roundtable General Medicine Edition; Schoonman GG, et al. (2006) The prevalence of premonitory symptoms in migraine: a questionnaire study in 461 patients. Cephalalgia 26:1209]. Планируемое в проекте изучение систем, обладающих повышенным ответом на простые физиологические воздействия (стимулы), и сравнение результатов с условно типичными системами (контрольная группа практически здоровых добровольцев) позволит провести системное исследование комплекса поверхностно регистрируемых сигналов электрической активности головного мозга и количественно оценить взаимодействие различных отделов центральной нервной системы между собой, с периферическими сенсорными системами и иными физиологическими комплексами (например, кардиоваскулярной системой). При этом, в рамках реализации поставленных задач предполагается создание теоретических моделей нейронной активности некоторых зон головного мозга для реалистичного описания повышенного сенсорного влияния позволит продвинуться в исследовании синхронных режимов более, чем двух взаимосвязанных сетевых структур [Gao J. Networks for med from interdependent networks. Nature Physics. 8 (2012) 40], что на данный момент является слабо изученным.
Кроме того, c фундаментальной точки зрения современной нейронауки и нейрофизиологии при анализе патологического состояния мигрени, особо актуальной проблемой является механизм перехода данного состояния от эпизодического к практически постоянному при хронической мигрени, что, по косвенным данным, может быть связано с возникновением новых устойчивых синхронных режимов и сложных системных связей в сенсорных, вегетативных и аффективных цепях, вызывающих дисфункциональную пластичность [Brennan K.C., Pietrobon D., A Systems Neuroscience Approach to Migraine, Neuron 97 (5) (2018) 1004]. В рамках предлагаемого проекта будут выявлены изменения в сетевой структуре коры головного мозга, связанные именно с хроническим течением мигрени, и выделены некоторые нейромаркеры, слежение за которыми может послужить объективным критерием прогрессирования заболевания в его переходе от эпизодического к хроническому течению. Такие результаты позволили бы продвинуться в понимании самого заболевания с фундаментальной точки зрения, как оценки характерных структурных изменений в функционировании головного мозга при прогрессировании болезни, а также обнаруженные нейромаркеры могут в дальнейшем являться основой для разработки экспериментальных нейроинтерфейсов - тренажёров на основе неинвазивных методов воздействия для разрушения и перестройки патологических структур синхронизации и связей головного мозга.
Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что тематика исследованияявляется весьма актуальной с точки зрения нейрофизиологии (в контексте выявления закономерностей физиологической активности, характерных для состояния мигрени; определения маркеров наличия и возможности возникновения хронической мигрени).

Практическая значимость: 

Научная значимость результатов планируемого проекта заключается в разработке полноценной системы описания механизмов синхронизации периферических систем и центральной нервной системы человека, а также построения адекватных структурных моделей активности головного мозга пациентов с патологическим состоянием мигрени на основе таких продвинутых физико-математических методов как частотно-временной анализ на базе вейвлетов и разложения по эмпирическим модам, восстановление связей и сетевой анализ, методы машинного обучения и т.д.
С использованием этих методов планируется выявление нейромаркеров состояния мигрени для раннего выявления предикторов приступов, а также прогноза развития и профилактики заболевания. Это составляет прикладную значимость настоящего проекта. В проекте ожидается получение следующих новых результатов.
1. Уникальный набор экспериментальных данных, разбитый по группам (хроническая мигрень, эпизодическая мигрень и контрольная группа). В каждой группе не менее 90 участников исследования. Для каждого испытуемого предполагается наличие единого стандарта исследования, объединяющего оценку неврологического статуса, психоэмоционального состояния, когнитивного статуса, результатов оценки нейровизуализации и регистрации активности головного мозга.
Описание классов разбиения групп пациентов по различным объективным критериям: клиническая картина (степень тяжести проявления заболевания, длительность, сопутствующие симптомы и пр.), психоэмоциональное состояние пациента (наличие депрессии, её степень и пр.); личностные особенности; выявленные особенности активности мозга при неврологическом обследовании и оценке вызванных потенциалов.
2. Новые методы численного исследования экспериментальных нейрофизиологических сигналов на базе интеграции методов теории сложных сетей и частотно-временного анализа: автоматические оценки индивидуальных характеристик активности головного мозга на базе пространственных скелетонов непрерывного вейвлетного преобразования, режимов вызванной синхронизации (англ. ERSERD) различных проекций отделов коры головного мозга на электроэнцефалографии при воздействиях на соответствующие сенсорные системы и пр. Апробация методов на модельных системах нелинейной динамики и экспериментальных сигналах.
3. Выделение зон головного мозга, демонстрирующих различные механизмы изменения количественных и качественных характеристик при различных внешних воздействиях на сенсорные системы. Сопоставление динамики изменения в выделенных зонах при наличии/отсутствии мигрени. Для решения задачи будут использованы как классические подходы неврологии – анализ когнитивных вызванных потенциалов в комплексе с нейровизуализацией на базе КТ и МРТ, так и современные методы нейронауки, основанные на расчёте корреляционных представлений, частотно-временном анализе и методах теории сложных сетей.
4. Закономерности в совместной активности сигналов различных физиологических систем пациентов в спокойном состоянии и при внешних воздействиях различного типа. Описание процессов синхронизации сверхнизкочастотной активности.
5. Математические модели, описывающие взаимодействие отделов коры головного мозга – сети сетей, включающие 2 – 4 взаимодействующие подсети нейроноподобных элементов. Оценки топологий связи, характерных для патологических состояний. Модель внешнего влияния при патологически повышенном сенсорном отклике при мигрени.
6. Результаты статистического анализа всего полученного комплекса теоретических результатов и экспериментальных данных, включая кластерный анализ полученного набора экспериментальных нейрофизиологических сигналов на базе методов машинного обучения.
7. Определение нейрофизиологических маркеров, соответствующих развитию мигрени. Под нейрофизиологическими маркерами понимаются характеристики выявленных особенностей синхронных режимов различных зон головного мозга пациента с мигренью, обладающие устойчивой связью с наблюдаемыми характеристиками клинической картины. На базе исследования пациентов в различных стадиях развития мигрени по частоте приступов будет производиться оценка возможности формирования прогностических критериев развития заболевания.