В статье проводится сравнение широкого набора методов классификации данных для создания интерфейса мозг-компьютер, основанного на распознавании паттернов ЭЭГ при воображении движений кистей. Показано, что классификатор GBM (Gradient Boosting Models) работает лучше остальных классификаторов на исследуемом наборе данных.
Характеристики используемой установки влияют на поведение грызунов в “открытом поле”, однако не все эффекты такого рода описаны достаточно полно. Так, данные о влиянии размеров арены на поведение животных немногочисленны и противоречивы. C помощью современных инструментов (система видеотрекинга Noldus EthoVision, программы WinTrack и Segment Analyzer) анализировали особенности поведения мышей C57BL/6 в аренах разного размера, диаметром 35 см (число животных n = 9), 75 (n = 10), 150 (n = 10) и 220 (n = 10). Показано, что в аренах большего размера мыши проходят бо льшие расстояния с большей скоростью, увеличивается количество стоек. Горизонтальная и вертикальная активность возрастает непропорционально росту площади арен. Показано, что размер исследуемого пространства влияет на сегментные характеристики маршрута. Комплексный анализ выявил, что структура пространственного поведения мышей в небольших аренах (диаметром 35 и 75 см) принципиально отличается от таковой в аренах большего размера (диаметром 150 и 220 см). Площадь их открытой области велика и, по-видимому, требуется иная по сравнению с малыми аренами организация пространственного поведения, учитывающая “неоднородности” по биологической значимости разных частей пространства. льшие расстояния с большей скоростью, увеличивается количество стоек. Горизонтальная и вертикальная активность возрастает непропорционально росту площади арен. Показано, что размер исследуемого пространства влияет на сегментные характеристики маршрута. Комплексный анализ выявил, что структура пространственного поведения мышей в небольших аренах (диаметром 35 и 75 см) принципиально отличается от таковой в аренах большего размера (диаметром 150 и 220 см). Площадь их открытой области велика и, по-видимому, требуется иная по сравнению с малыми аренами организация пространственного поведения, учитывающая “неоднородности” по биологической значимости разных частей пространства.
Для исследования процесса принятия решения при программировании саккады использовалась модификация экспериментальной схемы "двойной шаг", в которой два коротких стимула предъявляются последовательно в противоположных полуполях (puis overshoot — схема). Показана зависимость количества саккад на зрительные стимулы, паттерна ответа (две саккады или одна саккада на второй стимул) и величины латентного периода саккады от длительности первого стимула (150 или 50 мс), пространственного расположения стимулов и индивидуальных особенностей испытуемых. Полученные данные свидетельствуют о взаимосвязи процессов внимания и принятия решения при программировании саккады и указывают на возможное влияние прогностических процессов в предстимульный период на "паттерн" саккадического ответа в экспериментальной схеме "двойной шаг"
Хорошо известно влияние объема рабочей памяти (РП) на математические способности. Эта зависимость выявлена преимущественно для визуально-пространственного объема РП, в то время, как объем фонологической петли РП, связанный с обработкой звуковой и речевой информации, как предполагается, имеет незначительное влияние на математические способности у взрослых. Тем не менее, участие языковых нейросетей в математическом мышлении до сих пор является объектом дискуссий. Мы изучили влияние объема фонологической петли РП на скорость и корректность решения математических и вербальных задач у молодых, здоровых праворуких добровольцев либо с законченным высшим образованием, либо студентов ВУЗов, обучающихся в математической и в гуманитарной сферах. Испытуемые математической группы (N=10) решали все задачи по показателям правильности ответов (ПО) и времени решения (ВР) задач достоверно лучше испытуемых гуманитарной группы (N=10). Объем фонологической петли РП не отличался при сравнении двух групп, но по-разному влиял на ПО и ВР задач у математиков и гуманитариев. Корреляционный анализ Спирмена для каждой группы в отдельности показал, что емкость РП положительно влияла на ПО всех математических задач только в группе математиков, но не влияла на ВР, в то время, как в гуманитарной группе мы наблюдали противоположную тенденцию. Также в группе математиков объем РП обратно коррелировал с ВР логических задач на арифметические последовательности. Наши результаты косвенно доказывают, что РП в своем вербальном домене может оказывать влияние на математические способности, особенно, когда они требуют вовлечения логического мышления.
Исследовали обучение управлению системой “Интерфейс мозг-компьютер” (ИМК) с помощью специально разработанного тренинга. Тренинг включал осуществление медленных циклических движений правой и левой рукой (длительность каждого движения соответствовала длительности представлений движений руки при работе с ИМК), представление этих движений, а также спокойное сидение до начала движений. До проведения тренинга и после него осуществлялось управление ИМК. По тесту темперамента Айзенка оценивали степень эмоциональной устойчивости (нейротизм). Сравнение значений точности классификации состояний мозга при представлении движений до и после тренинга показало, что успешность обучения управлению ИМК зависит от показателей испытуемых по шкале нейротизма. После тренинга разделимость состояний мозга при представлении движений правой и левой руки достоверно увеличивалась у пользователей с низким, но не с высоким нейротизмом, более того, у последних разделимость состояний мозга при представлении движений правой руки и в покое достоверно уменьшалась. Субъективная сложность представляемых (но не реальных) движений тем больше, чем выше показатели по шкале нейротизма. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учитывать эмоциональную устойчивость пользователя при разработке методик обучения управлению ИМК.
Опыты проведены на четырех европейских кроликах (Orictolagus cuniculus). Кроликам были вживлены посеребренные электроды в кость над первичной зрительной корой для регистрации вызванных потенциалов. Сначала регистрировались вызванные потенциалы на замену околопороговых зрительных стимулов 0.28 и 0.31 вд/м2, затем к этим стимулам добавлялся звук (2000 Гц 84 дБ, продолжительность 40 мс). Одиночный звук ответа не вызывал. Измерение амплитуды волны N1 (85-110 мс) показало, что величина ответа на замены комплексов звук + свет статистически превосходит в 1.6 раза ответ на замены световых стимулов. Далее производились попарные замены световых стимулов восьми интенсивностей в диапазоне 0.28-20 2 кд/м2 друг на друга и на основе факторного анализа реконструировалось сенсорное пространство интенсивностей. Оно сравнивалось с полученным аналогичным способом сенсорным пространством где к тем же зрительным стимулам добавлялся звук. Анализ расстояний между концами векторов, представляющих стимулы, показал, что добавление звука приводит к расширению пространства, занимаемого малыми интенсивностями света (0.28; 1.02; 3.05; 6.35 кд/м2) в среднем в 1.4 раза и упорядочивает расположение интенсивностей в пространстве, строго от меньших -к большим. В то же время звук сужает пространство, ограниченное стимулами с большими интенсивностями (8.48; 13.7; 16.8; 20.2 вд/м2), в среднем в 1.33 раза. Предполагается, что добавление звука приводит к улучшению различения малых интенсивностей света и несколько ограничивает различение высоких интенсивностей. Сенсорные пространства, построенные по данным замены комплексных стимулов звук + свет, как и в случае световых стимулов оказались двумерными, что свидетельствует в пользу предположения об интеграции этих раздражителен в единый комплекс при их совместной подаче.
В настоящей статье рассмотрены проблемы нейрофизиологических механизмов восприятия социального поведения. Раскрывается понятие зеркальной системы мозга, её связи с мю-ритмом и её роли в социальной адаптации. Разработана и апробирована оригинальная трехблоковая методика предъявления стимульного материала, позволяющая провести электроэнцефалографическое исследование зеркальной системы мозга при простом, целенаправленном и эмоционально окрашенном моторном акте. Было показано, что выполнение указанных действий сопровождается десинхронизацией мю-ритма и активацией зеркальной системы мозга. Выявлены поля Бродмана, соответствующие зонам максимальной интенсивности и активации зеркальной системы мозга.
Нейрокомпьютерные интерфейсы, или, как их принято называть в отечественной литературе, интерфейсы мозг-компьютер (ИМК), находят применение в ряде областей и имеют потенциал использования для решения как исследовательских, так и практических задач. В настоящее время ведутся пилотные исследования клинического применения ИМК в постинсультной нейрореабилитации [Frolov et al., 2013; Ang et al., 2010], кроме того, существует перспектива использования ИМК для непосредственного восстановления возможностей движения/коммуникации путём создания альтернативного канала обмена информацией с интеллектуальными протезами и окружающей средой. При работе с электрофизиологическими данными возникает необходимость обработки многомерных, нестационарных сигналов, которые отражают сложные физиологические процессы. Интерфейсы, основанные на неинвазивных технологиях регистрации активности головного мозга, до сих пор не обеспечивают надёжного информационного контакта с мозгом пользователя. Результаты нашего исследования показывают, что улучшение рабочих характеристик таких систем возможно за счёт построения новых алгоритмов машинного обучения, учитывающих физиологические и психоэмоциональные особенности использования ИМК. Разработка таких алгоритмов может вестись как в классической Байесовской парадигме, так и с использованием современных технологий глубинного обучения. Кроме того, создание методик физиологической интерпретации нелинейных решающих правил, найденных многослойными структурами, открывает новые перспективы автоматического и объективного извлечения знаний из данных нейрофизиологических экспериментов. Несмотря на всю привлекательность неинвазивных технологий, радикальное повышение пропускной способности коммуникационного канала ИМК и применение этой технологии для управления протезами возможно лишь при помощи инвазивных методов регистрации активности головного мозга. Электрокортикограмма (ЭКоГ) - наименее инвазивная из таких технологий, и в заключительной части работы мы демонстрируем возможность использования ЭКоГ для декодирования кинематических характеристик движения пальца.
Нейрокомпьютерные интерфейсы, или, как их принято называть в отечественной литературе, интерфейсы мозг-компьютер (ИМК), находят применение в ряде областей и имеют потенциал использования для решения как исследовательских, так и практических задач. В настоящее время ведутся пилотные исследования клинического применения ИМК в постинсультной нейрореабилитации [Frolov et al., 2013; Ang et al., 2010], кроме того, существует перспектива использования ИМК для непосредственного восстановления возможностей движения/коммуникации путём создания альтернативного канала обмена информацией с интеллектуальными протезами и окружающей средой. При работе с электрофизиологическими данными возникает необходимость обработки многомерных, нестационарных сигналов, которые отражают сложные физиологические процессы. Интерфейсы, основанные на неинвазивных технологиях регистрации активности головного мозга, до сих пор не обеспечивают надёжного информационного контакта с мозгом пользователя. Результаты нашего исследования показывают, что улучшение рабочих характеристик таких систем возможно за счёт построения новых алгоритмов машинного обучения, учитывающих физиологические и психоэмоциональные особенности использования ИМК. Разработка таких алгоритмов может вестись как в классической Байесовской парадигме, так и с использованием современных технологий глубинного обучения. Кроме того, создание методик физиологической интерпретации нелинейных решающих правил, найденных многослойными структурами, открывает новые перспективы автоматического и объективного извлечения знаний из данных нейрофизиологических экспериментов. Несмотря на всю привлекательность неинвазивных технологий, радикальное повышение пропускной способности коммуникационного канала ИМК и применение этой технологии для управления протезами возможно лишь при помощи инвазивных методов регистрации активности головного мозга. Электрокортикограмма (ЭКоГ) - наименее инвазивная из таких технологий, и в заключительной части работы мы демонстрируем возможность использования ЭКоГ для декодирования кинематических характеристик движения пальца.
Согласно психологическим исследованиям эротические изображения оцениваются в контексте положительных эмоций как наиболее интенсивные, связанные с наибольшим эмоциональным возбуждением, среди всего многообразия приятных и неприятных стимулов. При этом сложно отделить зоны мозга, непосредственно связанные с эмоциональными возбуждением, от активности структур, отвечающих за оценку эмоциональных стимулов в системе поощрения-вознаграждения. Целью настоящего исследования было установить различия в мозговой активности методом функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) у мужчин при оценке интенсивности приятных изображений, в том числе эротических, или неприятных и нейтральных изображений. При сравнении задач на оценку приятных изображений эротического характера с задачами, содержащими нейтральные или неприятные стимулы, наблюдалась достоверно более выраженная активация в задней поясной коре, в префронтальной коре, в бледном шаре справа. При сравнении задач с приятными и нейтральными стимулами наблюдалась повышенная активность правой передней центральной извилины. Таким образом, в процессе оценки интенсивности эмоциональных изображений эротического характера активируются области мозга, относящиеся не только к нейронному представительству эмоций, но и к системе когнитивного контроля эмоционального возбуждения и мотивационной сферы, что необходимо учитывать при использовании эротических изображений в качестве сильных положительных эмоциональных стимулов.
Целью настоящей работы явилась оценка отставленных эффектов острого пренатального стресса у белых крыс. В качестве стрессогенного воздействия использовали неизбегаемое плавание в холодной воде на 7-й или 14-й день беременности. Было показано, что использованное воздействие приводит к достоверному снижению массы новорожденных крысят и замедлению их роста в течение 2-го месяца жизни. У животных, перенесших пренатальный стресс, зарегистрировано изменение исследовательской активности и тревожности, увеличение эмоциональной напряженности, а также нарушение обучения в возрасте 1—2 мес. Следовательно, острое стрессогенное воздействие как на 7-й, так и на 14-й день беременности крыс вызывает долговременные негативные изменения поведения у потомства стрессированных животных.
В работе методом экстраклеточной регистрации активности 34 нейронов первичной зрительной коры трех бодрствующих кроликов в хронических экспериментах исследовали влияние звука (2000 Гц, 70 дБ, 40 мс) на различение слабых интенсивностей света (0.3 – 1 кд/м2). Звук подавался с разными временны́ми интервалами до и после замены одной интенсивности света на другую (всего 15 интервалов, диапазон от -750 до +150 мс). Факторный дисперсионный анализ ANOVA показал, что временной интервал между звуком и светом статистически значимо влияет на ответы нейронов. Сам звук ответа не вызывал. Реакции нейронов содержали в себе ответы на увеличение (on-ответы) и на уменьшение (off-ответы) интенсивности света. Наиболее выражено влияние звука в начальной фазе ответа (40-100 мс от момента замены интенсивностей). Для каждого интервала нейроны демонстрировали как увеличение, так и уменьшение реакций на комплекс по сравнению с реакциями на свет. Был применен Т-критерий Вилкоксона для оценки различия в выборках ответов на свет и на комплекс. Для on-ответов всей группы нейронов абсолютные значения реакций на комплекс звука со светом значимо (p<0.05) отличались от реакций на свет (в сторону усиления реакций) при интервалах -150, -40 и 0 мс. Выделены две группы нейронов, для которых влияние звука на световые ответы заметно различалось. Нейроны первой группы (n = 16) показали значимое положительное влияние звука на on-ответ в широком диапазоне интервалов (-150, -40, -20, 0, +20, +100 мс), а также наибольшее увеличение числа спайков под влиянием звука (на 18 – 28%) по сравнению с ответом на свет. У нейронов второй группы (n = 18) значимых интервалов обнаружено не было, т.е. реакции на комплекс не отличались значимо от ответов на свет. Для всех исследованных групп нейронов не обнаружено интервалов с достоверным снижением реакций на комплекс, однако наблюдалась тенденция сдвигов реакций на комплекс в сторону ослабления ответов при интервалах -750 и -80 мс для группы 1 (p<0.07) и при интервалах -500 и + 20 мс для группы 2 (p<0.1). Установлено, что on-ответы сильнее подвержены действию звука, чем off-ответы. Исследовано также влияние звука на вторые фазы ответа на свет (120 – 160 мс и более поздние, n = 23). Здесь влияние звука заметно слабее, чем на первую фазу. Для всей группы нейронов с поздними фазами звук значимо влияет на on-ответы в интервале 0 мс, на off-ответы – в интервалах +100, +150 мс. Наша работа выявила сходство временны́х интервалов модуляции звуком реакций на свет в опытах на животных и в психофизических опытах на людях. Полученные данные позволяют более подробно исследовать интеграцию звука и света при их совместном применении.
Целью работы было описать топографию активных корковых зон и подкорковых образований при вербальном и пространственном мышлении, используя метод функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В исследовании приняли участие 18 праворуких испытуемых. Предъявлялись четыре типа заданий: два основных — вербальное (анафаммы) и пространственное (поиск фигуры, дополняющей квадрат), а также два типа контрольных задач (слова и пространственная задача, где все фигуры идентичны). При решении вербальных заданий наблюдался больший объем активации левого полушария с вовлечением зоны Брока, при решении пространственных задач была активирована средняя лобная извилина справа. В затылочной области при решении пространственных задач более выражена была активация зрительного поля 18, а при решении анафамм — активация поля 19, связанного с более высоким уровнем обработки зрительной информации. Мозжечок активировался в обоих заданиях в большей степени при решении пространственной задачи. Полученные данные фМРТ свидетельствуют о том, что вербальный и пространственный типы мышления обеспечиваются активностью узко специфичного набора структур мозга, в то время как более ранние электрофизиологические исследования указывают на распределенный характер процессов мозга при мышлении. Объединяя эти два подхода, можно прийти к заключению, что когнитивные функции обеспечиваются мозговыми процессами системного характера с выделением некоторых ключевых структур.
Современные нейроимиджинговые исследования начинают приоткрывать нейробиологические механизмы следования социальным нормам. Настоящий обзор анализирует нейроимиджинговые исследования поддержания социальной нормы справедливости с помощью социального наказания, с акцентом на социальном наказании третьей стороной ввиду малой изученности этого феномена. Анализ литературы свидетельствует, что процесс социального наказания за нарушение нормы справедливости поддерживается распределенной активностью ряда областей коры головного мозга: (а) системой оценки социальных норм и (б) системой ментализации, с регионами-интеграторами информации в лобных отделах и теменно-височно-затылочной области мозга соответственно. Однако анализ современных исследований показывает, что нейробиологические механизмы принятия решения о социальном наказании некооперативного индивида требуют дополнительного изучения. Актуальным для будущих исследований представляется прояснение механизма взаимодействия вышеописанных нейронных сетей методами стимуляции отделов мозга и методами магнито- и электроэнцефалографии.