Для цитирования:
Короновский А. А., van Luijtelaar G. ., Овчинников А. А., Ситникова Е. Ю., Храмов А. Е. Диагностика и анализ осцилляторной нейросетевой активности головного мозга с использованием непрерывного вейвлетного преобразования // Известия вузов. ПНД. 2011. Т. 19, вып. 1. С. 86-108. DOI: 10.18500/0869-6632-2011-19-1-86-108
Диагностика и анализ осцилляторной нейросетевой активности головного мозга с использованием непрерывного вейвлетного преобразования
В работе дан обзор ряда методов анализа и диагностики осцилляторной нейросетевой активности головного мозга по данным экспериментального электроэнцефалографического исследования с использованием непрерывного вейвлетного преобразования. Рассматривается метод автоматического выделения характерных паттернов судорожной активности (пик-волновых разрядов) на эпилептической электроэнцефалограмме путем анализа мощности вейвлетного спектра, полученного в результате непрерывного вейвлетного преобразования с комплексным материнским морле-вейвлетом в определенных частотных диапазонах. Предложен эффективный метод выделения и классификации сонных веретен с помощью построения специального семейства адаптивных вейвлетных базисов. Предложенные методы адаптированы для изучения сигналов электроэнцефалограммы в реальном времени и могут применяться для построения системы мониторинга активности головного мозга больного эпилепсией. Проведен анализ особенностей частотно-временной структуры электроэнцефалограммы непосредственно перед пик-волновыми разрядами и выявлены характерные предшественники эпилептических разрядов, которые отражают активность мозга в состоянии судорожной готовности. Диагностика этого состояния даст возможность предсказать начало приступа эпилепсии и может найти применение в медицинской практике.
- Абарбанель Г.Д.И., Рабинович М.И., Селверстон А. и др. Синхронизация в нейронных ансамблях // Успехи физических наук. 1996. Т. 166. С. 363.
- Mosekilde E., Maistrenko Yu., Postnov D.E. Chaotic synchronization, applications to living systems. Singapore: World Scientific, 2002.
- Безручко, Б.П., Пономаренко, В.И., Прохоров М.Д. и др. Моделирование и диагностика взаимодействия нелинейных колебательных систем по хаотическим временным рядам (приложения в нейрофизиологии) // Успехи физических на- ук. 2008. Т. 178. С. 323.
- Некоркин В.И. Нелинейные колебания и волны в нейродинамике // Успехи физических наук. 2008. Т. 178. С. 313.
- Tass P.A. et al. Detection of n:m phase locking from noisy data: Application to magnetoencephalography // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. P. 3291.
- Tass P.A., Fieseler T., Dammers J. et al. Synchronization tomography: A method for three-dimensional localization of phase synchronized neuronal populations in the human brain using magnetoencephalography // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90. P. 088101.
- Anishchenko V.S., Balanov A.G., Janson N.B. et al. Entrainment between heart rate and weak nonlinear forcing // Int. J. Bifurcation and Chaos. 2000. Vol. 10. P. 2339.
- Prokhorov M.D., Ponomarenko V.I., Gridnev V.I. et al. Synchronization between main rhythmic processes in the human cardiovascular system // Phys. Rev. E. 2003. Vol. 68. P. 041913.
- Hramov A.E., Koronovskii A.A., Ponomarenko V.I., Prokhorov M.D. Detecting synch-ronization of self-sustained oscillators by external driving with varying frequency // Phys. Rev. E. 2006. Vol. 73. P. 026208.
- Короновский А.А., Пономаренко В.И., Прохоров М.Д., Храмов А.Е. Метод исследования синхронизации автоколебаний по унивариантным данным с использованием непрерывного вейвлетного анализа // ЖТФ. 2007. T. 77, No 9. С. 6.
- Meinecke F.C., Ziehe A., Kurths J., Muller K.-R. Measuring phase synchronization of superimposed signals // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 94. P. 084102.
- Chavez M., Adam C., Navarro V. et al. On the intrinsic time scales involved in synchronization: A data-driven approach // Chaos. 2005. Vol. 15. P. 023904.
- Tass P. A., Fieseler T., Dammers J., Dolan K.T., Morosan P., Majtanik M., Boers F., Muren A., Zilles K., Fink G.R. Synchronization tomography: A method for threedimensional localization of phase synchronized neuronal populations in the human brain using magnetoencephalography // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 90, No 8. 088101.
- Perez Velazquez J.L., Khosravani H., Lozano A. et al. Type III inermittency in human partial epilepcy // European Journal of Neuroscience. 1999. Vol. 11. P. 2571.
- Короновский А.А., Кузнецова Г.Д., Мидзяновcкая И.С., Ситникова Е.Ю., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Закономерности перемежающегося поведения в спонтанной неконвульсивной судорожной активности у крыс // ДАН. 2006. T. 409. C. 274.
- Hramov A.E., Koronovskii A.A., Midzyanovskaya I.S. et al. On-off intermittency in time series of spontaneous paroxysmal activity in rats with genetic absence epilepsy // Chaos. 2006. Vol. 16. P. 043111.
- Короновский А.А., Храмов А.Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: Физматлит, 2003.
- Torrence C., Compo G.P. A practical guide to wavelet analysis // Bulletin of the American Meteorological Society. 1998. Vol. 79. P. 61.
- Wavelets in Physics / Van den Berg, J.C. Eds. Cambridge: Cambridge University Press, 2004.
- Aldroubi A., Unser M. Wavelets in Medicine and Biology. CRC-Press, 1996.
- Анфиногентов В.Г., Короновский А.А., Храмов А.Е. Вейвлетный анализ и его использование для анализа динамики нелинейных динамических систем различной природы // Изв. РАН, cер. физич. 2000. Vol. 64, No 12. P. 2383.
- Drinkenburg WHIM, Coenen AML, Vossen JMH, van Luijtelaar ELJM. Spike-wave discharges and sleep-wake states in rats with absence epilepsy // Epilepsy Res. 1991. Vol. 9. P. 218.
- Durka P.J. From wavelets to adaptive approximations: Time-frequency parametrization of EEG // Biomed. Eng. Online. 2003; 2:1.
- Quiroga R.Q., Kraskov A., Kreuz T., Grassberger P. Perfomance of different synchronization measures in real data: A case study on electroencephalographic signals // Phys. Rev. E. 2002. Vol. 65. P. 041903.
- Aldroubi A., Unser M. Wavelets in Medicine and Biology. CRC-Press, 1996.
- Doron I., Hulata E., Baruchi I., Towle V.L., Ben-Jacob E. Time-invariant personspecific frequency templates in human brain activity // Physical Review Letters. 2006. Vol. 96. P. 258101.
- Gong Pulin, Nikolaev A.R., L. van Cees. Intermittent dynamics underlying the intrinsic fluctuations of the collective synchronization patterns in electrocortical activity // Phys. Rev. E. 2007. Vol. 76. P. 011904.
- Makarov V.A., Pavlov A.N., Tupitsyn A.N., Panetsos F., Moreno A. Stability of neural firing in the trigeminal nuclei under mechanical whisker stimulation // Computational Intelligence and Neuroscience. 2010. Vol. 2010.
- Павлов А.Н. Вейвлет-анализ и примеры его применения // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2009. Т. 17, No 5. С. 99.
- Steriade M. Neuronal substrates of sleep an epilepsy. Cambridge (UK): Cambridge University Press, 2003.
- Steriade M. Thalamocortical oscillations in the sleeping and aroused brain // Science. 1993. Vol. 262. P. 679.
- Sitnikova E., van Luijtelaar G. Cortical and thalamic coherence during spike-wave seizures in WAG/Rij rats // Epilepsy Res. 2006. Vol. 71. P. 159.
- Strogatz S.H. Exploring complex networks // Nature. 2001. Vol. 410. P. 268.
- Boccaletti S., Latora V., Moreno V. et al. Complex networks: Structure and dynamics // Physics Reports. 2006. Vol. 424. P. 175.
- Kryukov A.K., Osipov G.V., Polovinkin A.V., Kurth J. Synchronous regimes in ensembles of coupled Bonhoeffer–van der Pol oscillators // Physical Review E. 2009. Vol. 79. P. 046209.
- Zenett D.M. and Mikhailov A.S. Mutual synchronization in ensembles of globally coupled neural networks // Phys. Rev. E. 1998. Vol. 58. P. 872.
- Ito H., Nikolaev A.R., Leeuwen C. Dynamics of spontaneous transitions between global brain states // Human Brain Mapping. 2007. Vol. 28. P. 904.
- Nikolaev A.R., Pulin G., Leeuwen C. Evoked phase synchronization between adjacent high-density electrodes in human scalp EEG: Duration and time course related to behavior // Clinical Neurophysiology. 2005. Vol. 116. P. 2403.
- Wolpaw J.R., Birbaumer N., McFarland D.J., Pfurtscheller G., Vaughan T.M. Brain-computer interfaces for communication and control // Clin Neurophysiol. 2002. Vol. 113. P. 767.
- Guger C., Ramoser H., and Pfurtscheller G. Real-time EEG analysis for a brain-computer interface (BCI) with subject-specific spatial patterns // IEEE Trans. Rehab. Eng. 2000. Vol. 8. P. 562.
- Астафьева Н.М. Вейвлет–анализ: Основы теории и примеры применения // УФН. 1996. Vol. 166, No 11. P. 1145.
- Астафьева Н.М. Вейвлет-анализ: Спектральный анализ локальных возмущений (основы теории и примеры применения) // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1996. Т. 4, No 2. С. 3.
- Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их применение // УФН. 2001. Т. 171, No 5. С. 465.
- Sitnikova E.Yu., Hramov A.E., Koronovskii A.A., van Luijtelaar G. Sleep spindles and spike-wave discharges in EEG: Their generic features, similarities and distinctions disclosed with Fourier transform and continuous wavelet analysis // Journal of Neuroscience Methods. 2009. Vol. 180. P. 304.
- Hramov A.E., Koronovskii A.A., Ponomarenko V.I., Prokhorov M.D. Detection of synchronization from univariate data using wavelet transform // Phys. Rev. E. 2007. Vol. 75, No 5. 056207.
- Freeman W.J. Mass Action in the Nervous System. N.Y.: Academic Press, 1975.
- Steriade M., Deschenes M. The thalamus as a neuronal oscillator // Brain Res. Rev. 1984. Vol. 8. P. 1.
- Ovchinnikov A., Luttjohann A., Hramov A., van Luijtelaar G. An algorithm for real-time detection of spike-wave discharges in rodents // Journal of Neuroscience Methods. 2010.
- Destexhe A., Sejnowski T.J. Thalamocortical assemblies. Oxford: Oxford University Press, 2001.
- Kostopoulos G.K. Spike-and-wave discharges of absence seizures as a transformation of sleep spindles: the continuing development of a hypothesis // Clin Neurophysiol. 2000; Suppl. 2: S27-38.
- Brunelli R. Template Matching Techniques in Computer Vision: Theory and Practice. Wiley, 2009.
- van Luijtelaar G., Hramov A.E., Sitnikova E.Yu., Koronovskii A.A. Spike-wave discharges in WAG/Rij rats are preceded by delta and theta precursor activity in cortex and thalamus // Clinical Neurophysiology. 2010.
- Drinkenburg W.H. et al. Spike-wave discharges and sleep-wake states in rats with absence epilepsy // Epilepsy Res. 1991. Vol. 9, No 3. P. 218.
- Овчинников А.А., Храмов А.Е., Люттьеханн А., Короновский А.А., ван Луйтелаар Ж. Метод диагностики характерных паттернов на наблюдаемых временных рядах и его экспериментальная реализация в режиме реального времени применительно к нейрофизиологическим сигналам // ЖТФ. 2011. Т. 81, No 1. С. 3.
- Wolpaw J.R., Birbaumer N., McFarland D.J., Pfurtscheller G., Vaughan T.M. Brain-computer interfaces for communication and control // Clin Neurophysiol. 2002. Vol. 113, No 6. P. 767.
- Иваницкий Г.А., Наумов Р.А., Роик А.О., Иваницкий А.М. Как определить, чем занят мозг, по его электрическим потенциалам? Устойчивые паттерны ЭЭГ при выполнении когнитивных заданий // Вопросы искусственного интеллекта. 2008. Т. 1, No 1. С. 93.
- Kaplan A.Ya., Lim J.J., Jin K.S., Park B.W., Byeon J.G., Tarasova S.U. Unconscious operant conditioning in the paradigm of brain-computer interface based on color perception // Intern. J. Neurosci. 2005. Vol. 115. Т. 781.
- http://www.dataq.com/
- 2195 просмотров