Эффективность ЭЭГ-управляемой адаптивной нейростимуляции увеличивается при оптимизации параметров предшествующего резонансного сканирования

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Разработка и совершенствование методов неинвазивной стимуляции мозга с обратной связью является актуальной и быстро развивающейся областью нейронауки. Инновационным вариантом данного подхода, в котором человеку предъявляются аудиовизуальные лечебные воздействия, автоматически модулируемые ритмическими компонентами его электроэнцефалограммы (ЭЭГ), является ЭЭГ-управляемая адаптивная нейростимуляция. Представленное исследование направлено на экспериментальную проверку предположения о том, что эффективность ЭЭГ-управляемой адаптивной нейростимуляции может быть увеличена путем оптимизации параметров предварительного резонансного сканирования, которое заключается в светодиодной фотостимуляции с пошагово увеличивающейся частотой в диапазоне θ-, α- и β-ритмов ЭЭГ. С целью проверки данного предположения проведено сравнение эффектов двух видов резонансного сканирования, различающихся длительностью шага градуально возрастающей частоты светодиодной фотостимуляции. В экспериментах участвовали две равные группы студентов университета, находящихся в состоянии экзаменационного стресса. Перед проведением ЭЭГ-управляемой адаптивной стимуляции в одной из групп проводили резонансное сканирование с коротким (3 с), а в другой – с длинным (6 с) шагом градуального увеличения частоты фотостимуляции. Анализировали изменения ЭЭГ и психофизиологических показателей под влиянием комбинированных (резонансное сканирование плюс ЭЭГ-управляемая адаптивная нейростимуляция) воздействий относительно исходного уровня. Установлено, что только при коротком (3 с) шаге увеличения частоты фотостимуляции наблюдаются значимые приросты мощности ЭЭГ-ритмов, сопровождаемые достоверными изменениями субъективных показателей – уменьшением количества ошибок в тесте на узнавание слов, снижением уровня эмоциональной дезадаптации и увеличением оценок самочувствия. Выявленные позитивные эффекты наблюдаются уже после однократных лечебных воздействий за счет оптимальных условий для вовлечения резонансных и интеграционных механизмов мозга и механизмов нейропластичности в процессы нормализации функций организма. Разработанный комбинированный подход к нейростимуляции после дополнительных экспериментальных исследований может быть использован в реабилитационных мероприятиях широкого профиля.

Об авторах

А. И. Федотчев

Институт биофизики клетки РАН – обособленное подразделение
ФГБУН ФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований РАН”

Автор, ответственный за переписку.
Email: fedotchev@mail.ru
Россия, Московская область, Пущино

С. А. Полевая

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет
имени Н.И. Лобачевского

Email: fedotchev@mail.ru
Россия, Нижний Новгород

С. Б. Парин

Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет
имени Н.И. Лобачевского

Email: fedotchev@mail.ru
Россия, Нижний Новгород

Список литературы

  1. Farkhondeh Tale Navi F., Heysieattalab S., Ramanathan D.S. et al. Closed-loop Modulation of the Self-regulating Brain: A Review on Approaches, Emerging Paradigms, and Experimental Designs // Neuroscience. 2022. V. 483. P. 104.
  2. Wendt K., Denison T., Foster G. et al. Physiologically informed neuromodulation // J. Neurol. Sci. 2022. V. 434. P. 120121.
  3. Fedotchev A., Parin S., Polevaya S., Zemlianaia A. EEG-based musical neurointerfaces in the correction of stress-induced states // Brain-Computer Interfaces. 2021. V. 9. № 2. P. 1.
  4. Савчук Л.В., Полевая С.А., Парин С.Б. и др. Резонансное сканирование и анализ электроэнцефалограммы при определении зрелости корковой ритмики у младших школьников // Биофизика. 2022. Т. 67. № 2. С. 354. Savchuk L.V., Polevaya S.A., Parin S.B. et al. Resonance Scanning and Analysis of the Electroencephalogram in Determining the Maturity of Cortical Rhythms in Younger Schoolchildren // Biophysics. 2022. V. 67. № 2. P. 274.
  5. Kawala-Sterniuk A., Browarska N., Al-Bakri A. et al. Summary of over Fifty Years with Brain-Computer Interfaces. A Review // Brain Sci. 2021. V. 11. № 1. P. 43.
  6. Lejko N., Larabi D.I., Herrmann C.S. et al. Alpha Power and Functional Connectivity in Cognitive Decline: A Systematic Review and Meta-Analysis // J. Alzheimers Dis. 2020. V. 78. № 3. P. 1047.
  7. Polevaya S.A., Parin S.B., Zemlyanaya A.A., Fedotchev A.I. Dynamics of EEG reactions under combination of resonance scanning and adaptive neurostimulation in patients with post-COVID syndrome // Opera Med. Physiol. 2022. V. 9. № 2. P. 103.
  8. Доскин В.А., Лаврентьева Н.А., Мирошников М.Н., Шарай В.В. Тест дифференцированной самооценки функционального состояния // Вопросы психологии. 1973. Т. 19. № 6. С. 141. Doskin V.A., Lavrent’eva N.A., Miroshnikov M.N., Sharai V.V. [Differential self-assessment test for functional state] // Vopr. Psikhol. 1973. № 6. P. 141.
  9. Катаев А.А., Бахчина А.В., Полевая С.А., Федотчев А.И. Связь между субъективными и объективными оценками функционального состояния человека (апробация методики экспресс-оценки уровня стрессированности) // Вестник психофизиологии. 2017. № 2. С. 62. Kataev A.A., Bakhchina A.V., Polevaya S.A., Fedotchev A.I. [Сonnection between subjective and objective estimates of hunan functional state (approbation of rapid test for measurement of stress level)] // Psychophysiology News. 2017. № 2. P. 62.
  10. Zhang G., Cui Y., Zhang Y. et al. Computational exploration of dynamic mechanisms of steady state visual evoked potentials at the whole brain level // Neuroimage. 2021. V. 237. P. 118166.
  11. Coelli S., Tacchino G., Visani E. et al. Higher order spectral analysis of scalp EEG activity reveals non-linear behavior during rhythmic visual stimulation // J. Neural. Eng. 2019. V. 16. № 5. P. 056028.
  12. Nuidel I.V., Kolosov A.V., Demareva V.A., Yakhno V.G. Using a Phenomenological Mathematical Model to Reproduce the Interaction of Endogenous and Exogenous Oscillations under Neurocontrol // Modern Technol. Med. 2019. V. 11. № 1. P. 103.
  13. Otero M., Lea-Carnall C., Prado P. et al. Modelling neural entrainment and its persistence: influence of frequency of stimulation and phase at the stimulus offset // Biomed. Phys. Eng. Express. 2022. V. 8. № 4. https://doi.org/10.1088/2057-1976/ac605a
  14. Нарышкин А.Г., Галанин И.В., Егоров А.Ю. Управляемая нейропластичность // Физиология человека. 2020. Т. 46. № 2. С. 112. Naryshkin A.G., Galanin I.V., Egorov A.Yu. Controlled Neuroplasticity // Human Physiology. 2020. V. 46. № 2. P. 216.
  15. Tonti E., Budini M., Vingolo E.M. Visuo-Acoustic Stimulation’s Role in Synaptic Plasticity: A Review of the Literature // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 19. P. 10783.
  16. Sato N. Fast entrainment of human electroencephalogram to a theta-band photic flicker during successful memory encoding // Front. Hum. Neurosci. 2013. V. 7. P. 208.
  17. Otero M., Prado-Gutiérrez P., Weinstein A. et al. Persistence of EEG Alpha Entrainment Depends on Stimulus Phase at Offset // Front. Hum. Neurosci. 2020. V. 14. P. 139.
  18. Yoshimoto S., Jiang F., Takeuchi T. et al. Adaptation and visual discomfort from flicker // Vision Res. 2019. V. 160. P. 99.
  19. Zhuang X., Tran T., Jin D. et al. Aging effects on contrast sensitivity in visual pathways: A pilot study on flicker adaptation // PLoS One. 2021. V. 16. № 12. P. e0261927.
  20. Sanders P.J., Thompson B., Corballis P.M. et al. A review of plasticity induced by auditory and visual tetanic stimulation in humans // Eur. J. Neurosci. 2018. V. 48. № 4. P. 2084.
  21. Perenboom M.J., van de Ruit M., Zielman R. et al. Enhanced pre-ictal cortical responsivity in migraine patients assessed by visual chirp stimulation // Cephalalgia. 2020. V. 40. № 9. P. 913.
  22. Matsumoto H., Ugawa Y. Quadripulse stimulation (QPS) // Exp. Brain Res. 2020. V. 238. № 7–8. P. 1619.
  23. Takabatake K., Kunii N., Nakatomi H. et al. Musical Auditory Alpha Wave Neurofeedback: Validation and Cognitive Perspectives // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 2021. V. 46. № 4. P. 323.
  24. Takeuchi Y., Berényi A. Oscillotherapeutics – Time-targeted interventions in epilepsy and beyond // Neurosci. Res. 2020. V. 152. P. 87.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2.

3.

Скачать (94KB)

© А.И. Федотчев, С.А. Полевая, С.Б. Парин, 2023