Международные проекты

Конкурс совместных инициативных российско-британских научно-исследовательских проектов (совместно с Лондонским Королевским Обществом)

Проект, реализуемый при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Срок окончания - 2020 год.

Магнитоэнцефалографическое исследование механизмов интеграции информации при зрительном восприятии (A magnetoencephalographic study of the role of predictions in visual perception)

Московский МЭГ-центр является единственным в России и Восточной Европе центром, обладающим всем необходимым оборудованием для проведения исследований в области магнитной энцефалографии. В настоящее время усилиями его сотрудников реализуется проект по внедрению качественно новых для России методов неинвазивной нейрохронометрии в практику отечественных фундаментальных и прикладных научных исследований в области медицины и нейронаук, а также в комплекс диагностических методов, применяемых в нейрохирургии. В разные годы в МЭГ-центре осуществлялись исследования по темам: динамика взаимодействия нейронных ансамблей при распознавании целостных зрительных образов; причины нарушений целостности восприятия при различных патологиях мозга; динамика мозговых процессов, предшествующих когнитивной оценке, при обработке зрительной информации; нейрофизиологические механизмы восприятия и переработки речевой информации, в норме и при различных патологиях; нейрофункциональные основы нарушения внимания; особенности развития когнитивных функций у детей, перенесших хирургическое лечение нейроонкологических заболеваний. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных статьях в международных рецензируемых журналах, среди которых Neuroimage, Frontires in human neuroscience, Cortex, Clinical Neurophysiology и др.

Недавние исследования Т.А. Строгановой были посвящены изучению восприятиязрительных образов взрослыми и детьми, в том числе детьми с аутизмом. Основным предметом этого направления работ были ЭЭГ и МЭГ исследования активности мозга при восприятии зрительных иллюзий. Был впервые описан не только прямой, но и обратный эффект иллюзии у детей, представляющий собой повышенную амплитуду фазово-связанной активности в гамма-диапазоне в ответ на контрольный стимул по сравнению с ответом на иллюзорный. Отдельно изучалось влияние сознательных установок человека на эффект иллюзии. В недавних исследованиях с применением МЭГ был обнаружен обратный эффект иллюзии и у взрослых испытуемых, однако его проявление было более ранним — в районе 60-120 мс. Была высказана гипотеза, что причина обратного эффекта лежит в механизмах межнейронного взаимодействия первичной зрительной коры, тогда как прямой эффект свидетельствует о влиянии на активность первичных участков зрительной коры зоны V1 нисходящих потоков активации от вышележащих участков зоны IT.

Исследование в парадигме битональных деградированных изображений будет логическим продолжением экспериментов с восприятием иллюзорных контуров. Специально для него были разработаны экспериментальная парадигма, которая объединяет идеи использования контраста между стимулами представляющими осмысленное изображение (лицо или инструмент) и бессмысленных изображений и использования специальной процедуры эксплицитного научения, новый регионспецифический метод мультивариационной классификации пространственных паттернов активности, и предложена адаптация современного метода анализа репрезентативного сходства (RSA) для применения к МЭГ сигналам в пространстве источников.

О зарубежных участниках Проекта

Wellcome Trust Center for Neuroimaging объединяет 8 профессоров, 56 научных сотрудников, 4 радиотерапевтов с административным и техническим персоналом. Направления его деятельности варьируются от экспериментальных исследований с применением функциональной МРТ и МЭГ до биоматематического моделирования функциональной интеграции в мозге. Среди научного персонала центра - физики, программисты, специалисты-статистики и врачи. Карл Фристон - научный директор центра - теоретический нейрофизиолог и специалист по визуализации мозга. Он изобрел статистическое параметрическое картирование (SPM) и динамическое каузальное моделирование (DCM). В 1994 году его группа изобрела метод морфометрии позволяющий улучшить пространственное разрешение до единичного вокселя (VBM). Сейчас VBM является стандартной техникой нейроанатомических исследований с целым рядом приложений в медицине. В настоящее время Фристон работает над моделями функциональной интеграции в мозге человека и принципами, лежащими в основе нейрональных взаимодействий. Его основной вклад в теоретическую нейробиологию заключается в формулировке принципа свободной энергии в рамках цикла восприятие-действие. Основанная на этом принципе теория восприятия является на сегодняшний день одной из самых широко используемых для предсказания и интерпретации экспериментальных результатов в области нейровизуализации.

Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект

Проект направлен на исследование роли интегративных процессов в головном мозге человека сопровождающих функционирование системы зрительного восприятия.

В современной физиологии высшей нервной деятельности считается, что зрительная система многоканальна, и между отдельными каналами существует довольно сложное разделение функций. Этот принцип проявляется анатомически в существовании особых корковых зон, специализированных на обработке отдельных признаков.

При изучении зрительного восприятия встает задача: понять, как взаимодействуют компоненты зрительной системы, формируя целостную картину зрительного мира. В настоящее время происходит отказ от взгляда на восприятие как на процесс анализа сенсорной информации в терминах факторизации внешних воздействий в пользу механизмов интеграции, которые подчеркивают взаимодействие организма со средой, определяющееся как характеристиками среды так и характеристиками самого организма.

Задача в рамках проблемы, на решение которой направлен Проект

Задачей данного проекта является разработка экспериментальной парадигмы и методов анализа данных, которые позволят исследовать теоретически предсказанное несходство в нейронной обработке категорий зрительных объектов, возникшее из за различного опыта взаимодействия, сопровождающего формирование данной категории. Исследование специфики обработки в мозге стимулов различных категорий обычно проводится методами функциональной магнито-резонансной томографии. Поэтому вопрос о том, являются ли различия в топологии активных областей коры связанными с перцептивной категоризацией как таковой, или они отражают более поздние процессы доступа к смысловой информации, остается в значительной степени невыясненным. Подойти к решению данного вопроса можно было бы с помощью использования
магнитной энцефалографии (МЭГ) – метода нейровизуализации с высоким временным разрешением.

С помощью этого метода мы планируем проверить альтернативные гипотезы о природе категориального восприятия зрительных объектов.

Первая из них - гипотеза “активного полагания» - относит различия между областями мозга, вовлеченными в обработку различных категорий объектов, с относительно ранней стадией связывания отдельных признаков объекта в общую конфигурацию, предшествующую осознанию смысла образа.

Вторая – гипотеза ментализации образа – те же различия относит к поздним мозговым процессам доступа к смыслу интегрированной информации, сопровождающих осознание данного образа. Экспериментальные результаты, которые будут получены в данном проекте, позволят проверить обе гипотезы.

В рамках проекта планируется изучение активности зон коры мозга человека, вовлеченных в механизм связывания признаков при обработке двух полярных категорий зрительных объектов, формирование которых было сопряжено с различным опытом взаимодействия в предшествующем опыте.

Использование специально сконструированных битональных стимулов различных категорий должно позволить выявить специфическое для их обработки взаимодействие различных каналов зрительной системы, в частности, вентрального и дорзального (Goodale, Milner, 1992) зрительных потоков. Кроме того, мы планируем изучить как направленное управление вниманием человека во время научения, будет влиять на предсказанные различия в нейронной обработке стимулов различных категорий.

Методы и подходы к решению поставленных задач

В данном проекте мы планируем определить пространственно-временные паттерны нейронной активности, лежащие в основе распознавания зрительных стимулов из категории лиц и инструментов. С этой целью мы будем использовать магнитоэнцефалографию (МЭГ) и адаптированный нами к применению для анализа МЭГ данных метод мультивариационной классификации пространственных паттернов активности в сочетании с анализом репрезентативного сходства (RSA; Nili и др., 2014).

Современное состояние исследований по заявленной научной проблеме, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем

За последнее десятилетие был достигнут значительный прогресс в исследовании роли интегративных процессов сопровождающих функционирование системы зрительного восприятия. В настоящее время считается, что интеграция информации при восприятии зрительных стимулов может происходить двумя путями. В первую очередь производится группировка и сегментация сенсорных сигналов параллельно по всему зрительному полю. Считается, что на этом этапе мозг человека использует те же гештальткритерии, например, колинеарность и близость, что известны в психологии восприятия. Если такой анализ оказывается недостаточным для задачи формирования целостного образа, то в более поздний момент времени задействуется дополнительный механизм связывания, который по ряду характеристик сходен с работой системы селективного внимания (Treisman, 1998). Поскольку процессы категоризации объектов, посредством которых отдельные признаки объектов связываются в единое целое, формируются на основе истории взаимодействия с объектами данной категории, считают, что объекты разных категорий могут использовать различные механизмы связывания признаков.

План научных работ, выполняемых российскими участниками Проекта

2018

Формирование дизайна эксперимента в новой экспериментальной парадигме, которая объединяет идеи использования контраста между стимулами представляющими осмысленное изображение (лицо или инструмент) и бессмысленных изображений и использования специальной процедуры эксплицитного научения. — Строганова Т.А., Козунов В.В.

Создание программных процедур для осуществления эксперимента: специальной утилиты, разработанной в среде MATLAB для управления характеристиками деградации стимулов, скриптов управления сценариями подачи стимулов с помощью программного пакета Presentation и т.п. - Козунов В.В., Гончаренко М.Б.

Осуществление пилотного проекта: отбор стимульного материала, подбор параметров эксперимента, предварительные запись и анализ МЭГ данных, — Козунов В.В., Строганова Т.А., Николаева А.Ю., Гончаренко М.Б.

Корректировка дизайна эксперимента, разработка стратегии анализа данных - Строганова Т.А., Козунов В.В. Тестирование регион-специфического метода мультивариационной классификации пространственных паттернов активности - Козунов В.В., Гончаренко М.Б. Запись данных основного эксперимента (не меньше 20 испытуемых) с помощью 306-канального аппаратно- программного комплекса “VectorView” (Elekta Neuromag Oy, Finland) в специальной магнитноэкранированной камере. Для целей контроля возможных артефактов МЭГ-сигнала параллельно будут записываться электромиограмма, кардиограмма и электроокулограмма. - Николаева А.Ю., Козунов В.В.

2019

Предварительная обработка МЭГ-данных с помощью программного пакета SPM8: очистка МЭГ-сигналов от артефактов биологического происхождения, разделение на эпохи, фильтрация, комбинация категории подаваемого стимула и субъективного ответа испытуемого, определение параметров для решения обратной задачи и т.п. — Козунов В.В., Николаева А.Ю. Создание программного кода утилиты для осуществления анализа репрезентативного сходства (RSA) - Козунов В.В., Гончаренко М.Б. Анализ данных с помощью регион-специфического метода мультивариационной классификации и метода RSA. Проверка основных гипотез эксперимента: о различиях между областями мозга, вовлеченными в обработку различных категорий объектов, о различных механизмах связывания отдельных признаков ассоциированных с восприятием лиц и инструментов, о влиянии процедуры одномоментного эксплицитного обучения на процессы интеграции информации - Строганова Т.А., Козунов В.В.

Работы в рамках интеграции кода метода мультивариационной классификации и метода RSA в программный пакет SPM8/SPM12 – данная интеграция будет производиться в случае положительной оценки полученных результатов обеими сторонами - Козунов В.В., Гончаренко М.Б. Написание и публикация 2х статей в международные реценцируемые журналы. В первой статье планируется представить экспериментальные результаты, во второй — их интерпретацию в рамках теории активного полагания британского соисполнителя проекта К.Фристона — Строганова Т.А., Козунов В.В., Николаева А.Ю.

План научных работ, выполняемых зарубежными участниками Проекта

2018

Обучение сотрудников МЭГ-центра новым алгоритмам обработки данных, реализованным в программном пакете SPM12 Осуществление пилотного проекта: подбор параметров эксперимента, предварительные запись и анализ МЭГ данных. Экспертная оценка дизайна эксперимента, разработка стратегии анализа данных Адаптация теоретической модели для интерпретации результатов проекта

2019

Создание шаблона для предварительной обработка МЭГ-данных с помощью программного пакета SPM8: очистка МЭГ-сигналов от артефактов биологического происхождения, разделение на эпохи, фильтрация, комбинация категории подаваемого стимула и субъективного ответа испытуемого, определение параметров для решения обратной задачи и т. п. Анализ данных эксперимента с помощью метода динамического каузального моделирования (DCM). Развитие метода для анализа многомерных паттернов. Экспертная оценка анализа данных с помощью регион-специфического метода мультивариационной классификации и метода RSA. Работы в рамках интеграции кода метода мультивариационной классификации и метода RSA в программный пакет SPM8/SPM12 – данная интеграция будет производиться в случае положительной оценки полученных результатов обеими сторонами Участие в написании и публикации 2х статей в международных рецензируемых журналах. В первой статье планируется представить экспериментальные результаты, во второй — их интерпретацию в рамках теории активного полагания британского соисполнителя проекта К.Фристона.

Результаты деятельности по проекту за 2018 год:

В ходе выполнения проекта с помощью магнитоэнцефалографии (МЭГ) проводилось исследование пространственно временных характеристик нейронной активности в головном мозге человека при восприятии целостных осмысленных образов.

Испытуемым предъявляли битональные изображения объектов, относящихся к двум полярным категориям с точки зрения преобладания субъективной ценности (лица) или сенсомоторных схем (инструменты) в индивидуальном опыте испытуемых. Анализ данных МЭГ осуществляли с помощью распределенного моделирования мозговых источников магнитного поля, с последующим использованием анализа сходства репрезентаций (representational similarity analysis), позволяющим обнаружить пространственно-временные-характеристики мозговой активности, соответствующие исходной теоретической модели.

Были обнаружены три последовательных этапа восприятия, задействующие все более высокие уровни обработки зрительной информации в коре головного мозга: 1) выделение сенсорных характеристик изображения безотносительно к их категории (50-130 мс после подачи стимула), 2) интеграция сенсорных характеристик в соответствие с общими признаками конкретной категории объектов (140 - 240 мс), 3) над-категориальные процессы, связанные с осознанием осмысленности объекта (после 250 мс).

Были выявлены качественные различия в организации «промежуточного» этапа интеграции при восприятии изображений, относящихся к категориям лиц и инструментов. На этом этапе лица в сравнении с инструментами преимущественно вовлекали участки вентрального зрительного потока мозга, который обеспечивает обработку зрительной стимуляции под контролем мозговых структур, выявляющих ее субъективную ценность. Напротив, категоризация инструментов отличалась более выраженной активацией звеньев дорзального зрительного потока, передающего информацию о пространственных характеристиках к моторным зонам для реализации зрительно-направляемого поведения. Специфические для интеграции сенсорных характеристик изображений инструментов процессы в дорзальных областях мозга наблюдались существенно позже, чем специфическая для изображений лиц активация в вентральных областях (200-240 мс после подачи стимула для инструментов против 140-180 мс для лиц).

В процессе перцептивного научения при повторных предъявлениях изображений инструментов нейронная активация зон дорзального зрительного потока ослаблялась, демонстрируя тем самым привыкание к перцептивной задаче, утратившей новизну. Напротив, при повторных предъявлениях лиц сила активации зон вентрального потока усиливалась, отражая парадоксальное нарастание активации при процессах обработки уже знакомого лицевого стимула.

Данные результаты свидетельствуют о сосуществования двух различных, но взаимосвязанных механизмов интеграции сенсорных характеристик, на которые опирается восприятие осмысленных образов. Восприятие лиц формируется преимущественно на основе синхронизации (резонанса) в реципрокном взаимодействии восходящей нейронной активности, вызванной зрительным стимулом и нисходящей активности нейронных сетей, определяющих его высокую субъективную ценность (Edelman G. M. Tononi G., 2000). При восприятии инструментов функционирование данного механизма не является достаточным для формирования осмысленного образа, и позднее подключается дополнительный механизм нисходящей детерминации, управляющий интеграцией отдельных сенсорных признаков в целостную репрезентацию на основе ре-активации существующих ассоциативных связей между нейронными группами в зрительной коре и моторными схемами.

Сотрудничество с зарубежными организациями

По направлению изучения изменений в работе мозга при нарушениях развития и поиска биомаркеров этих нарушений МЭГ-центр ведет исследования совместно с учеными Рочестерского университета США (University of Rochester); Гётеборгского университета (University of Gothenburg) Швеции; Медицинской школы Гарварда (Harvard Medical School) США; Университета Вашингтона в Сент-Луисе (Washington University in St. Louis).

Работы в области изучения мозговых механизмов языка и речи ведутся совместно с учеными Орхусского университета (Aarhus University) Дании и Свободного университета Берлина (Freie Universität Berlin) в Германии.

Исследования механизмов когнитивных и перцептивных процессов ведутся совместно с учеными Национального университета Сингапура (National University of Singapore); Университетского колледжа Лондона (University College London) в Великобритании.

Совместно с учеными Гётеборгского университета (University of Gothenburg) Швеции проводится исследование процессов нервного возбуждения/торможения и зрительных гамма-колебаний.

Исследования в области возможности применения метода МЭГ при эпилепсии ведутся совместно с учеными Центральной больницы Хельсинского университета (Helsinki University Central Hospital) Финляндии и Тель-Авивского медицинского центра "Сураски" (Tel Aviv Sourasky Medical Center) Израиля.

Совместный исследовательский проект по совершенствованию обработки данных ведется с Монреальским университетом (University of Montreal) Канады.

Зарубежные ученые выступают с лекциями и проводят семинары.