Группа Изучения Динамики Нейрональных Процессов

Основные направления работы группы

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА НЕЙРОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ

В данном проекте изучаются пространственные и временные паттерны нейрональной активности мозга человека в различных задачах (сенсорных, моторных или когнитивных), а также в состоянии покоя. Особое внимание уделяется возможности описания нейрональных процессов с точки зрения сложных систем, используя, к примеру, гипотезу о существовании в мозге критического состояния, которое может являться оптимальным для функционирования нейрональных сетей. Интересным в данной связи представляется использование длинно-временных корреляций, существование которых было показано нами ранее во временной динамике амплитудных огибающих нейрональных осцилляций. Для описания пространственного нейронального взаимодействия используются различные меры синхронизации и каузальных взаимодействий. Для более полного описания нейрональных процессов целесообразным представляется изучение спонтанной  и вызванной активностей, а также изучение возможного взаимодействия между ними. Особенно интересным в этой связи является выявление связи между спонтанной/фоновой составляющей нейрональной активности и последующими элементами поведенческих реакций и вызванной активности.
Такой подход позволяет изучать реакции мозга человека в контексте нейрональных состояний, на фоне которых и происходит формирование специфических нейрональных ответов. Для изучения распределённых пространственных процессов мы испльзуем многоканальную ЭЭГ как метод описывающий нейрональные процессы с большим временным разрешением. Для более точного пространственно-временного описания ЭЭГ мы также полагаемся на дальнейшую разработку алгоритмов, основанных  на анализе многомерных данных. Наконец для возможности изменения, а также тестирования текущего нейронального состояния возможно использование Транскраниальной Магнитной Стимуляции (ТМС) и ТМС в комбинации с ЭЭГ. 

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕРГЕНЦИИ НИСХОДЯЩИХ И ВОСХОДЯЩИХ СИСТЕМ МОЗГА

Известно, нисходящие и восходящие системы мозга имеют четкую иерархическую структурно-функциональную организацию, а так же взаимодействуют друг с другом на различных уровнях (сенсомоторная координация). Методика ТМС позволяет изучать данные системы неинвазивно. Для этого используется такой аспект работы нервных систем, как временная и пространственная суммация. Известно, что нейрональный ответ на стимуляцию изменяется, в зависимости от синхронности прихода активирующих стимулов. Изучая корреляцию между активирующими стимулами и величиной ответа, можно судить о месте, где происходит конвергенция в нервной сети (пространственная суммация). Наличие двух синхронизированных между собой магнитов, позволяет проводить одновременную стимуляцию сразу двух структур мозга (а также периферической нервной системы), а в качестве ответов регистрировать электро-миограмму и/или электро-энцефалограмму. ТМС позволяет стимулировать не только области коры, но и непосредственно спинномозговые пути, а так же периферическую нервную систему (например, первичные афференты). Оценка латентных периодов ранних компонентов ЭМГ позволяет оценить минимальное количество синапсов в исследуемом пути, то же самое можно сказать и исследуя ранние компоненты ВП в ответ на стимуляцию соматосенсорных афферентов. По сути, эта методика позволяет уточнить строение нервных сетей человека, и сравнивать их с результатами острых электрофизиологических экспериментов, проведенных на животных.
Как пример данных исследований, можно привести такие задачи:
- Конвергенция контра- и ипсилатеральных кортикоспинального тракта на одних и тех же нейронов спинного мозга
- Выявление проприоспинальной системы спинного мозга человека (стимуляция кортикоспинального тракта и первичных афферентов, с записью ЭМГ)
- Изучение компонентов соматосенсорных ВП при совместной стимуляции различных восходящих трактов (дает возможность оценить роль вставочных нейронов спинного мозга в генерации ранних компонентов ВП)

ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ СЕНСОРНЫХ И МОТОРНЫХ КАРТ МОЗГА

Как известно, первичная соматосенсорная и моторная кора обладает такой характеристикой, как топографическая организация. Эта функциональная организация является яркой иллюстрацией такого фундаментального свойства нервной системы, как «пространственное кодирование информации». Существует мнение, что данное кодирование должно обладать относительно жесткими рамками, т.к. должно быть инвариантным к реальному физическому стимулу (для соматосенсорного «гомункулюса») или конкретной мышце (для моторного «гомункулюса») – такое представление, например, даже вошло в большинство учебников. Однако в ряде работ (как на животных, так и на человеке) было показано, что такие сенсорные и моторные «карты» на самом деле очень лабильны. Причем они могут меняться не только от опыта к опыту, но и в очень короткий период времени. Так было показано, что доминирующая система (доминанта), может даже изменять рецептивные поля нейронов практически мгновенно. 
Соответственно, также возникает вопрос, что же такое «спонтанная» активность мозга? Ведь активность «модулирующих систем мозга» (например, гипоталамуса, лимбической системы и т.д.) как раз и может проявляться в том, что нейрон может «начать реагировать» на ранее индифферентные стимулы, т.е. изменяются его рецептивные поля. Этот вопрос до сих пор остается открытым, и имеющееся лабораторное оборудование позволяет проводить исследования в данном направлении. Высокоточная навигационная ТМС позволяет строить как моторные (на основе ЭМГ), так и сенсорные топографические карты первичных зон мозга. Последнее осуществляется с помощью стимуляции различных первичных афферентов ТМС и одновременной многоканальной регистрацией ВП, что позволяет более точно локализовать ВП. Изучение перистимульной ЭЭГ для каждой индивидуального стимула, возможно, поможет оценить роль спонтанной активности.
Как пример данных исследований, можно привести такие задачи:
- Картирование первичной соматосенсорной и моторной коры
- Оценка стабильности таких карт во времени
- Оценка стабильности таких карт в зависимости от выполняемой задачи, эмоционального статуса и от спонтанной активности мозга
- Разработка программы TMSmap для анализа результатов картирования мозга