Решение обратной задачи EEG/MEG

Электроэнцефалография (ЭЭГ) и магнитоэнцефалография (МЭГ) — методы визуализации активности головного мозга, обладающие высочайшим (порядка единиц миллисекунд) временным разрешением. Данные методы позволяют проводить тонкие исследования сложнейших процессов информационного обмена, происходящие в головном мозге. Однако, задача нахождения распределения активности нейронных популяций по коре головного мозга на основании данных, зарегистрированных при помощи ЭЭГ и МЭГ чрезвычайно сложна и не имеет однозначного решения. Такая задача называется обратной задачей ЭЭГ и МЭГ. С математической точки зрения обратная задача не имеет единственного решения и называется некорректно поставленной, поэтому для ее решения применяют различные методы регуляризации. Методы регуляризации по своей сути представляют формализованную аналитическую технологию, позволяющую вносить в процесс решения дополнительные сведения об искомом решении, в нашем случае, это решение — распределение активности по коре головного мозга. Пример такого решения изображен рисунке ниже. Чем реалистичнее исходное предположение о свойствах решения, тем точнее будет полученное решение и тем больше вероятность, что оно на самом деле отражает настоящую карту активации коры.

Группа методов нейровизуализации разрабатывает новые подходы к решению обратной задачи ЭЭГ и МЭГ, в которых используются физиологические предпосылки, не учтенные в существующих методах.

Решение обратной задачи с использованием предпосылки о волновом распространении нейрональной активности

Феномен распространения нейрональной активности в форме волн, движущихся по коре головного мозга, впервые был описан в литературе около ста лет назад, однако особенную популярность эта тема приобрела в последние несколько десятилетий в результате появления целого ряда экспериментальных исследований, подтверждающих данную теорию. Так, например, было показано, что альфа-осцилляции распространяются в форме движущихся волн и не только модулируют амплитуду гамма-активности во времени, но также и координируют её распространение в пространстве (Bahramisharif et. al 2013). Кроме того, было показано, что в некоторых областях головного мозга наблюдаемая волновая активность обладает устойчивым направлением распространения и степень устойчивости распространения значимо связана с качеством выполнения когнитивного задания (Zhang et. al 2017).

Использование физиологически обусловленного предположения о пространственно-временной связности искомой нейрональной активности легло в основу создания нового метода решения обратной задачи.

               

 

Полученное решение представляет собой набор движущихся кортикальных волн, каждая из которых характеризуется оптимальной и физиологически состоятельной скоростью движения, основным направлением и масштабом распространения. Важным аспектом также является высокое пространственное разрешение итогового решения.





Разработанный метод предполагается использовать и в прикладных целях, а именно для функциональной диагностики динамики межсудорожной активности пациентов с эпилепсией. Так называемые межсудорожные спайки (interictal spikes) представляют собой краткосрочные события, являющиеся диагностическим маркером эпилепсии. Область коры головного мозга, породившая такую пароксизмальную активность часто совпадает с зоной инициации судороги (эпилептогенной зоной). Разработка неинвазивных или малоинвазивных методов анализа пространственно-временного распространения межсудорожных спайков у больных с фармакорезистентной формой эпилепсии потенциально позволит увеличить эффективность нейрохирургического вмешательства и снизить постоперационные риски.