Efficiency of EEG-Guided Adaptive Neurostimulation Increases with the Optimization of the Parameters of Preliminary Resonant Scanning

A. I. Fedotchev; Федотчев А. И.; S. A. Polevaya; Полевая С. А.; S. B. Parin; Парин С. Б.

doi:10.31857/S0131164623600039

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

Авторы: Федотчев А.И.¹, Полевая С.А.², Парин С.Б.²
Учреждения:
1. Институт биофизики клетки РАН – обособленное подразделение ФГБУН ФИЦ “Пущинский научный центр биологических исследований РАН”
2. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского
Выпуск: Том 49, № 5 (2023)
Страницы: 17-24
Раздел: Статьи
URL: https://journal-vniispk.ru/0131-1646/article/view/139833
DOI: https://doi.org/10.31857/S0131164623600039
EDN: https://elibrary.ru/XOJPVC
ID: 139833

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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.

Ключевые слова

неинвазивная стимуляция мозга с обратной связью, ритмические компоненты ЭЭГ, автоматическая модуляция, аудиовизуальная стимуляция, резонансные механизмы мозга, когнитивная реабилитация, коррекция стресс-индуцированных состояний.

Список литературы

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.
Wendt K., Denison T., Foster G. et al. Physiologically informed neuromodulation // J. Neurol. Sci. 2022. V. 434. P. 120121.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
Yoshimoto S., Jiang F., Takeuchi T. et al. Adaptation and visual discomfort from flicker // Vision Res. 2019. V. 160. P. 99.
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.
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.
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.
Matsumoto H., Ugawa Y. Quadripulse stimulation (QPS) // Exp. Brain Res. 2020. V. 238. № 7–8. P. 1619.
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.
Takeuchi Y., Berényi A. Oscillotherapeutics – Time-targeted interventions in epilepsy and beyond // Neurosci. Res. 2020. V. 152. P. 87.