Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)


Для цитирования:

Егоров Н. М., Пономаренко В. И., Мельникова С. Н., Сысоев И. В., Сысоева М. В. Общность механизмов возникновения безаттракторных колебательных режимов в радиотехнических моделях таламокортикальной сети мозга // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 6. С. 927-942. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-6-927-942

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 236)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.373.9, 530.182, 004.942

Общность механизмов возникновения безаттракторных колебательных режимов в радиотехнических моделях таламокортикальной сети мозга

Авторы: 
Егоров Никита Михайлович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Пономаренко Владимир Иванович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Мельникова София Николаевна, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Сысоев Илья Вячеславович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Сысоева Марина Вячеславовна, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (СГТУ)
Аннотация: 

Цель – показать, что длинные переходные процессы в мезомасштабных моделях таламокортикальных сетей мозга могут быть реализованы в достаточно общем случае – при различном числе элементов в ансамбле (разной детализации) и различной начальной фазе внешнего воздействия, а также сохраняются при малых вариациях числа и структуры связей. Методы. Таламокортикальные сети головного мозга моделируются с помощью радиотехнической цепи, реализованной с использованием компьютерного SPICE-эмулятора электронных схем. В качестве отдельного элемента сети используются упрощённые аналоговые генераторы ФитцХью – Нагумо. Результаты. Показано, что длинные, квазирегулярные и нерегулярные колебательные процессы с примерно постоянной амплитудой наблюдаются в ансамблях из 14, 28 и 56 генераторов ФитцХью – Нагумо. Было проанализировано изменение длительности переходного процесса в модели в зависимости от фазы внешнего воздействия и от конкретной реализации матрицы связей. Заключение. Показано, что предложенные радиотехнические модели таламокортикальной сети мозга устойчиво воспроизводят патологические режимы функционирования мозга качественно сходным образом при вариации числа элементов сети, структуры связей и начальной фазы внешнего воздействия. 

Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 21-72-00015, https://rscf.ru/project/21-72-00015/
Список источников: 
  1. Coenen A. M. L., van Luijtelaar E. L. J. M. Genetic animal models for absence epilepsy: A review of the WAG/Rij strain of rats // Behavioral Genetics. 2003. Vol. 33, no. 6. P. 635–655. DOI: 10.1023/A:1026179013847.
  2. Вольнова А. Б., Ленков Д. Н. Абсансная эпилепсия: механизмы гиперсинхронизации нейронных ансамблей // Медицинский академический журнал. 2012. Т. 12, № 1. С. 7–19.
  3. Luttjohann A., van Luijtelaar G. The dynamics of cortico-thalamo-cortical interactions at the transition from pre-ictal to ictal LFPs in absence epilepsy // Neurobiology of Disease. 2012. Vol. 47, no. 1. P. 49–60. DOI: 10.1016/j.nbd.2012.03.023.
  4. Sysoeva M. V., Luttjohann A., van Luijtelaar G., Sysoev I. V. Dynamics of directional coupling underlying spike-wave discharges // Neuroscience. 2016. Vol. 314. P. 75–89. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2015.11.044.
  5. Sysoeva M. V., Vinogradova L. V., Kuznetsova G. D., Sysoev I. V., van Rijn C. M. Changes in corticocortical and corticohippocampal network during absence seizures in WAG/Rij rats revealed with time varying Granger causality // Epilepsy and Behavior. 2016. Vol. 64. P. 44–50. DOI: 10.1016/j.yebeh.2016.08.009.
  6. Сысоева М. В., Ситникова Е.Ю., Сысоев И. В. Таламо-кортикальные механизмы инициации, поддержания и прекращения пик-волновых разрядов у крыс WAG/Rij // Журнал высшей нервной деятельности имени И. П. Павлова. 2016. Т. 66, № 1. С. 103–112. DOI: 10.7868/S0044467716010123.
  7. Suffczynski P., Kalitzin S., Lopes Da Silva F. H. Dynamics of non-convulsive epileptic phenomena modeled by a bistable neuronal network // Neuroscience. 2004. Vol. 126, no. 2. P. 467–484. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2004.03.014.
  8. Taylor P. N., Wang Y., Goodfellow M., Dauwels J., Moeller F., Stephani U., Baier G. A computational study of stimulus driven epileptic seizure abatement // PLoS ONE. 2014. Vol. 9, no. 12. P. e114316. DOI: 10.1371/journal.pone.0114316.
  9. Medvedeva T. M., Sysoeva M. V., van Luijtelaar G., Sysoev I. V. Modeling spike-wave discharges by a complex network of neuronal oscillators // Neural Networks. 2018. Vol. 98. P. 271–282. DOI: 10.1016/j.neunet.2017.12.002.
  10. Medvedeva T. M., Sysoeva M. V., Luttjohann A., van Luijtelaar G., Sysoev I. V. Dynamical mesoscale model of absence seizures in genetic models // PLoS ONE. 2020. Vol. 15, no. 9. P. e0239125. DOI: 10.1371/journal.pone.0239125.
  11. Thomas A. Memristor-based neural networks // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. Vol. 46, no. 9. P. 093001. DOI: 10.1088/0022-3727/46/9/093001.
  12. Babacan Y., Ka¸car F., Gurkan K. A spiking and bursting neuron circuit based on memristor // Neurocomputing. 2016. Vol. 203. P. 86–91. DOI: 10.1016/j.neucom.2016.03.060.
  13. Kulminskiy D. D., Ponomarenko V. I., Prokhorov M. D., Hramov A. E. Synchronization in ensembles of delay-coupled nonidentical neuronlike oscillators // Nonlinear Dynamics. 2019. Vol. 98, no. 1. P. 735–748. DOI: 10.1007/s11071-019-05224-x.
  14. Егоров Н. М., Пономаренко В. И., Сысоев И. В., Сысоева М. В. Имитационное моделирование эпилептиформной активности сетью нейроподобных радиотехнических осцилляторов // Журнал технической физики. 2021. Т. 91, № 3. С. 519–528. DOI: 10.21883/JTF.2021.03.50532.237-20.
  15. Abbasova K. R., Chepurnov S. A., Chepurnova N. E., van Luijtelaar G. The role of perioral afferentation in the occurrence of spike-wave discharges in the WAG/Rij model of absence epilepsy // Brain Research. 2010. Vol. 1366. P. 257–262. DOI: 10.1016/j.brainres.2010.10.007.
  16. Капустников А. А., Сысоева М. В., Сысоев И. В. Моделирование пик-волновых разрядов в мозге малыми сетями нейроосцилляторов // Математическая биология и биоинформатика. 2020. Т. 15, № 2. С. 138–147. DOI: 10.17537/2020.15.138.
  17. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 560 с.
  18. Russo E., Citraro R., Constanti A., Leo A., Luttjohann A., van Luijtelaar G., De Sarro G. Upholding WAG/Rij rats as a model of absence epileptogenesis: Hidden mechanisms and a new theory on seizure development // Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2016. Vol. 71. P. 388–408. DOI: 10.1016/j.neubiorev.2016.09.017.
  19. Marescaux C., Vergnes M., Depaulis A. Genetic absence epilepsy in rats from Strasbourg – a review // Journal of Neural Transmission Supplementum. 1992. Vol. 35. P. 37–69. DOI: 10.1007/978-3-7091-9206-1_4.
  20. Kalimullina L. B., Musina A. M., Kuznetsova G. N. Experimental approaches to studies of the role of the genotype at the TAG 1A locus of the dopamine D2 receptor in epileptogenesis // Neuroscience and Behavioral Physiology. 2013. Vol. 43, no. 8. P. 935–940. DOI: 10.1007/s11055-013-9831-z. 
  21. Грищенко А. А., ван Рейн К. М., Сысоев И. В. Сравнительный анализ методов оценки ненаправленной связанности между внутричерепными отведениями ЭЭГ коры головного мозга крыс-моделей абсансной эпилепсии // Математическая биология и биоинформатика. 2017. Т. 12, № 2. С. 317–326. DOI: 10.17537/2017.12.317.
  22. Dahlem M. A., Hiller G., Panchuk A., Scholl E. Dynamics of delay-coupled excitable neural systems // International Journal of Bifurcation and Chaos. 2009. Vol. 19, no. 2. P. 745–753. DOI: 10.1142/S0218127409023111.
  23. Вайнштейн Л. А. Электронные волны в замедляющей системе // Радиотехника и электроника. 1957. Т. 3, № 6. С. 688.
  24. Шевчик В. Н., Трубецков Д. И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.: Советское радио, 1970. 584 с.
  25. Paxinos G., Watson C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. 6th Edition. San Diego: Academic Press, 2007. 456 p.
  26. Габова А. В., Кузнецова Г. Д., Гнездицкий В. В., Базян А. С., Обухов Ю. В. Метод вейвлет-преобразования в неврологии: анализ частотно-временных характеристик типичных и атипичных разрядов неконвульсивной эпилепсии // Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2009. Т. 3, № 4. С. 39–44.
  27. Akman O., Demiralp T., Ates N., Onat F. Y. Electroencephalographic differences between WAG/Rij and GAERS rat models of absence epilepsy // Epilepsy Research. 2010. Vol. 89, no. 2–3. P. 185–193. DOI: 10.1016/j.eplepsyres.2009.12.005.
  28. Карлов В. А. Эпилептический статус бессудорожных припадков // Журнал неврологии и психиатрии им. C. C. Корсакова. 2008. Т. 108, № 5. С. 92–98.
  29. Trinka E., Hofler J., Zerbs A. Causes of status epilepticus // Epilepsia. 2012. Vol. 53, no. 4. P. 127–138. DOI: 10.1111/j.1528-1167.2012.03622.x.
  30. Кузнецов А. П., Кузнецов С. П., Рыскин Н. М. Нелинейные колебания. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 292 с.
  31. Meeren H. K. M., Pijn J. P. M., van Luijtelaar E. L. J. M., Coenen A. M. L., Lopes da Silva F. H. Cortical focus drives widespread corticothalamic networks during spontaneous absence seizures in rats // Journal of Neuroscience. 2002. Vol. 22, no. 4. P. 1480–1495. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.22-04-01480.2002.
Поступила в редакцию: 
14.08.2021
Принята к публикации: 
09.10.2021
Опубликована: 
30.11.2021