НЕЙРОСЕТЕВАЯ ДИНАМИКА ПРОЦЕССА БИОУПРАВЛЕНИЯ

Козлова Л.И.
ФИЦ ФТМ 630060, ул. Тимакова, 2, г. Новосибирск, Россия, lyudmilakozlova@yandex.ru

Развитие медицины, на сегодня, предполагает глубокое понимание физиологических процессов, лежащих в основе той или иной лечебной технологии. Использование фМРТ в неврологии и психиатрии позволило по-новому взглянуть на давно и успешно применяющиеся методы лечения. Нами было проведено фМРТ исследование ЭЭГ-биоуправления с построением нейронных сетей (ICAанализ) и оценкой динамики их изменения. В эксперименте участвовали здоровые мужчины (20-35 лет), прошедшие курс ЭЭГ-тренинга биоуправления вне МР-томографа, состоявший из 20 сеансов. Основная группа (20 человек) получали обратную связь, направленную на повышение мощности альфа-ритма, группа сравнения (9человек) – бета-ритма. Инструкция и расположение электродов в обеих соответствовали протоколу альфа-тренинга. В контуре обратной связи в МР-томографе получены три записи: в начале, середине и по окончании курса. Проанализированы данные для групп «успешных» (повышение мощности на 2х этапах) и «хороших» (повышение мощности хотя бы на первом этапе), рассмотрены общие для них изменения взаимосвязей между компонентами. При сравнении первой и второй регистрации альфа тренинга зафиксировано снижение коннективности для сети визуальной обработки пространственной информации (VSN)с сетью мозжечка(Cerebellum) и правой сетью исполнительного контроля (RECN), а также сети клина(Cuneus) с RECN. От второго к третьему этапу альфа тренинга общим было повышение связанности в парах: VSN-языковая сеть(LN), предклинье (Precuneus)-передняя сеть выделения релевантного стимула(ASN). В целом от первого к третьему этапу альфа тренинга снижалась коннективность Cerebellum с VSNи сетью обработки визуальной информации высокого уровня(HVN), Cuneus с RECN, повышение коннективности было общим для взаимодействий HVN с Precuneus, Cuneus ,VSN, Precuneus с ASN, Cuneus с VSN. Для бета тренинга общность изменений взаимосвязей сетей наблюдалась только при сравнении первого и третьего этапа в виде снижения связанности между Cuneus и сетью первичной обработки зрительной информации (PVN). Основным итогом является то, что удалось продемонстрировать различия состава и взаимодействия нейросетей, занятых в организации и функционировании альфа- и бета-генерирующих систем, что неизбежно должно учитываться при организации лечебных технологий, базирующихся на ЭЭГ-биоуправлении. Перспективным представляется возможность применения различных видов биоуправления (фМРТ, ЭЭГ паттерны активации нейронных сетей) организованного по полученным в эксперименте сетям для целевого воздействия на определенные симптомы, например, ASN при тревожности, RECN при состояниях, сопровождающихся ощущением внутреннего напряжения. Работа выполнена при поддержке РНФ (грант No 16-15-00183).
 
NEURAL NETWORK DYNAMICS DURING BIOFEEDBACK

Kozlova L.I.
FIC FTM 630060, Timakov St., 2, Novosibirsk, Russia, lyudmilakozlova@yandex.ru

To date, the medicine development requires deep understanding of physiological processes underlining this or that medical technology. Using FMRI in neurology and psychiatry allowed to look in a new way on treatment methods that has been long and successfully applied. We have conducted an FMRI study of the EEG biofeedback using neural networks constructing (ICA analysis) and assessing the dynamics of their change. 29 healthy men (20-35 years old) who completed 20 sessions of EEG biofeedback training course outside of MR scanner participated in the experiment. The main group (20 persons) received feedback aimed to increase their alpha rhythm power, and the control group (9 persons) was instructed to increase their beta rhythm power. The instructions and electrodes placement in both groups corresponded to the protocol of alpha training. In the feedback contour in MR scanner three records were obtained: at the beginning, in the middle, and after course completion. Analyzed were data from the "successful” (increase in power at two stages) and "good" (increase in power at least at the first stage) groups, and general changes of interrelations between their components were studied. When comparing the first and the second alpha training registrations, a decrease in connectivity of visuospatial network (VSN) with cerebellum network (Cerebellum) and with right executive control network (RECN), as well as of cuneus network (Cuneus) with RECN, was revealed. From the second to the third stage of alpha training the increase of coherence in the pairs VSN - language network (LN) and Precuneus - anterior salience network (ASN) was found to be common. In general, from the first to the third stage of alpha training the connectivity of Cerebellum with VSN and with high level visual network (HVN), and of Cuneus with RECN; the increase of connectivity was common for interactions of HVN with Precuneus, Cuneus, VSN, Precuneus with ASN, Cuneus with VSN. For beta training the common changes of network interrelations was observed only when comparing the first and the third stages, in the form of decreased connectivity between Cuneus and primary visual network (PVN). The main result is that we succeeded to show the differences in the structure and interactions of the neural networks involved into the organization and functioning of alpha- and the beta-generating systems, which inevitably has to be considered in the organization of medical technologies that are based on EEG biofeedback. We consider as promising further possible applications of different types of biofeedback (FMRI, EEG patterns of neural networks activation) organized by networks obtained in the experiment, to impact on certain symptoms, for example, ASN for anxiety, RECN for the conditions accompanied by
feelings of tension. This study was supported by Russian Science Foundation (RSF grant N 16-15-00183).

NEURAL NETWORKS OF NEUROFEEDBACK

Kozlova L.I.
Russia, Novosibirsk, Federal Research Center of Fundamental and Translational Medicine lyudmilakozlova@yandex.ru

EEG-biofeedback has long been successfully used in clinical practice, however, the basic neurophysiological mechanisms underlying self-control of EEG rhythms still remain insufficiently investigated. We studied the dynamic changes in neural networks activity using independent component analysis (ICA) of fMRI data. Healthy men (20–35 years old) underwent 20 sessions of EEG biofeedback training outside the MRI scanner, with concurrent fMRI–EEG scans at the beginning, middle, and end of the course. The experimental group (N = 13) upregulated alpha rhythm power, while the control group (N = 5) upregulated beta rhythm, with the protocol instructions being as for alpha training in both cases. The stable skills of alpha regulation were followed by the weakening of the irrelevant links between the cerebellum and visual-spatial network (VSN), as well as between the VSN, the right executive control network (RECN), and the cuneus. A formation of a stable complex based on the interaction of the precuneus, the cuneus, the VSN, and the high level visuospatial network (HVN) was also found, along with strengthening of interaction of the anterior salience network (ASN) with the precuneus. In the control group during beta enhancement training a weakening of the interaction between the precuneus and the default mode network was noticed, as well as a decrease in the connectivity between the cuneus and the primary visual network (PVN). In comparison with beta training, alpha training was characterized by less pronounced interaction in the network formed by the PVN and the HVN, as well as by increased interaction of the cerebellum with the precuneus and the RECN. The possibility of using fMRI-based biofeedback organized according to the described neural networks interaction may allow more accurate targeting specific symptoms during neurotherapy. This study was supported by Russian ScienceFoundation (RSF grant N 16-15-00183).
 

Search