1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова
  4. T. 72, № 3, 2022

Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2022, T. 72, № 3, стр. 370-386

Анализ локальной динамики распространения межприступных разрядов с помощью модели бегущих волн

А. А. Кузнецова 1, А. Е. Осадчий 2, *

1 Лаборатория социальной нейробиологии, Институт когнитивных нейронаук, Высшая школа экономики
Москва, Россия

2 Центр биоэлектрических интерфейсов, Институт когнитивных нейронаук, Высшая школа экономики
Москва, Россия

* E-mail: ossadtchi@gmail.com

Поступила в редакцию 29.08.2021
После доработки 29.08.2021
Принята к публикации 20.12.2021

Аннотация

Эпилепсия − одно из наиболее распространенных неврологических заболеваний в мире, причем около 30% случаев не поддаются фармакологическому воздействию и могут требовать хирургического вмешательства. В процессе локализации эпилептогенной зоны − области, с которой связывают инициацию приступов у пациентов с фокальной эпилепсией, − различные области головного мозга исследуют на наличие межприступных разрядов. В данной работе мы предлагаем новую методологию неинвазивного исследования тонкой пространственно-временной структуры межприступных разрядов, наблюдаемых в магнитоэнцефалограмме (МЭГ). Для регуляризации обратной задачи МЭГ мы использовали модель бегущей волны. Алгоритм представляет нейронную активность, генерирующую межприступный разряд, как суперпозицию локальных волн, распространяющихся по радиальным путям и порождаемых одним точечным источником. С помощью метода LASSO с положительными коэффициентами мы определяем такое сочетание сгенерированных с разными параметрами волн, которое дает наилучшее совпадение с МЭГ-записью для каждого разряда. Для анализа свойств алгоритма мы использовали реалистичные симуляции МЭГ-данных. Затем мы применили наш метод для анализа МЭГ-данных трех пациентов с фармакорезистентной мультифокальной эпилепсией. Для части разрядов мы обнаружили волнообразные паттерны с четкой динамикой распространения, в то время как для другой части наблюдаемая активность не может быть объяснена моделью суперпозиции волн. Более того, разряды с четкой динамикой распространения демонстрировали выраженные пространственные кластеры и соотносились с эпилептогенными зонами, описанными в истории болезни для двух пациентов из трех.

Ключевые слова: обратная задача МЭГ, бегущие кортикальные волны, автоматическая детекция межприступных разрядов, локализация эпилептогенной зоны

Список литературы

  1. Крылов В.В., Гехт А.Б., Трифонов И.С., Лебедева А.В., Каймовский И.Л., Синкин М.В., Григорьева Е.В., Гришкина М.Н., Шишкина Л.В., Кочеткова О.О. Исходы хирургического лечения пациентов с фармакорезистентными формами эпилепсии. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2016. 119(9–2): 13–18.

  2. Adrian E.D., Matthews B.H.C. The interpretation of potential waves in the cortex. The Journal of Physiology. 1934. 81(4): 440–471.

  3. Adrian E.D., Yamagiwa K. The origin of the Berger rhythm. Brain. 1935. 58(3): 323–351.

  4. Bahramisharif A., van Gerven M.A.J., Aarnoutse E.J., Mercier M.R., Schwartz T.H., Foxe J.J., Ramsey N.F., Jensen O. Propagating neocortical gamma bursts are coordinated by traveling alpha waves. Journal of Neuroscience. 2013. 33(48): 18849–18854.

  5. Chamberlain A., Viventi J., Blanco J., Kim D.H., Rogers J., Litt B. Millimeterscale epileptiform spike patterns and their relationship to seizures. Conference proceedings: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2011. Conference, 2011: 761–764.

  6. Chizhov A.V., Zefirov A.V., Amakhin D.V., Smirnova E.Yu., Zaitsev A.V. Minimal model of interictal and ictal discharges “Epileptor-2”. PLOS Computational Biology. 2018. 14(5): e1006186.

  7. Donders F.C. On the speed of mental processes. Acta Psychologica. 1969. 30: 412–431.

  8. Ermentrout G.B., Kleinfeld D. Traveling electrical waves in cortex. Neuron. 2001. 29(1): 33–44.

  9. Ferezou I., Haiss F., Gentet L.J., Aronoff R., Weber B., Petersen C.C.H. Spatiotemporal dynamics of cortical sensorimotor integration in behaving mice. Neuron. 2007. 56(5): 907–923.

  10. Fischl B. FreeSurfer. NeuroImage. 2012. 62(2): 774–781.

  11. Freeman W.J., Barrie J.M. Analysis of spatial patterns of phase in neocortical gamma EEGs in rabbit. Journal of Neurophysiology. 2000. 84(3): 1266–1278.

  12. Fries P. A mechanism for cognitive dynamics: neuronal communication through neuronal coherence. Trends in Cognitive Sciences. 2005. 9(10): 474–480.

  13. Fries P. Rhythms for Cognition: Communication through Coherence. Neuron. 2015. 88(1): 220–235.

  14. Giannini M., Alexander D.M., Nikolaev A.R., van Leeuwen C. Large-scale traveling waves in EEG activity following eye movement. Brain Topography. 2018. 31(4): 608–622.

  15. Gramfort A., Luessi M., Larson E., Engemann D.A., Strohmeier D., Brodbeck C., Goj R., Jas M., Brooks T., Parkkonen L., Hämäläinen M.S. MEG and EEG data analysis with MNE-Python. Frontiers in Neuroscience. 2013. 7(267): 1–13.

  16. Hamalainen M., Hari R., Ilmoniemi R.J., Knuutila J., Lounasmaa O.V. Magnetoencephalography – theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain. Reviews on modern physics. 1993. 65(2).

  17. Hangya B., Tihanyi B.T., Entz L., Fabo D., Eross L., Wittner L., Jakus R., Varga V., Freund T.F., Ulbert I. Complex propagation patterns characterize human cortical activity during slow-wave sleep. Journal of Neuroscience. 2011. 31(24): 8770–8779.

  18. Hindriks R., van Putten M., Deco G. Intra-cortical propagation of EEG alpha oscillations. NeuroImage. 2014. 103: 444–453.

  19. Huang X., Troy W. C., Yang Q., Ma H., Laing C.R., Schiff S.J., Wu J.-Y. Spiral waves in disinhibited mammalian neocortex. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 2004. 24(44): 9897—9902.

  20. Komoltsev I.G., Sinkin M.V., Volkova A.A., Smirnova E.A., Novikova M.R., Kordonskaya O.O., Talypov A.E., Guekht A.B., Krylov V.V., Gulyaeva N.V. A Translational Study on Acute Traumatic Brain Injury: High Incidence of Epileptiform Activity on Human and Rat Electrocorticograms and Histological Correlates in Rats. Brain Sci. 2020. 10(9), 570.

  21. Koptelova A., Bikmullina R., Medvedovsky M., Novikova S., Golovteev A., Grinenko O., Korsakova M., Kozlova A., Arkhipova N., Vorobyev A., Melikyan A., Paetau R., Stroganova T., Metsahonkala L. Ictal and interictal MEG in pediatric patients with tuberous sclerosis and drug resistant epilepsy. Epilepsy Res. 2018. 140: 162–165.

  22. Lubenov E.V., Siapas A.G. Hippocampal theta oscillations are travelling waves. Nature. 2009. 373 459(7246): 534–539.

  23. Mak-McCully R.A., Rosen B.Q., Rolland M., Régis J., Bartolomei F., Rey M., Chauvel P., Cash S.S., Halgren E. Distribution, amplitude, incidence, co-occurrence, and propagation of human k-complexes in focal transcortical recordings. Eneuro. 2015. 2(4): ENEURO.0028–15.2015.

  24. Martinet L.-E., Fiddyment G., Madsen J.R., Eskandar E.N., Truccolo W., Eden U.T., Cash S.S., Kramer M.A. Human seizures couple across spatial scales through travelling wave dynamics. Nature Communications. 2017. 8(1).

  25. Massimini M. The sleep slow oscillation as a traveling wave. Journal of Neuroscience. 2004. 24(31): 6862–6870.

  26. Mosher J.C., Leahy R.M. Source localization using recursively applied and projected (RAP) MUSIC. IEEE Transactions on Signal Processing. 1999. 47(2): 332–340.

  27. Muller L., Reynaud A., Chavane F., Destexhe A. The stimulus-evoked population response in visual cortex of awake monkey is a propagating wave. Nature Communications. 2014. 5(1).

  28. Muller L., Chavane F., Reynolds J., Sejnowski T.J. Cortical travelling waves: mechanisms and computational principles. Nature Reviews Neuroscience. 2018. 19(5): 255–268.

  29. Nasiotis K., Clavagnier S., Baillet S., Pack C.C. High-resolution retinotopic maps estimated with magnetoencephalography. NeuroImage. 2017. 145: 107–117.

  30. Oostenveld R., Fries P., Maris E., Schoffelen J.M. FieldTrip: Open Source Software for Advanced Analysis of MEG, EEG, and Invasive Electrophysiological Data. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011. Vol. 2011, Article ID 156869.

  31. Ossadtchi A., Baillet S., Mosher J.C., Thyerlei D., Sutherling W., Leahy R.M. Automated interictal spike detection and source localization in magnetoencephalography using independent components analysis and spatiotemporal clustering. Clinical Neurophysiology. 2004. 115(3): 508–522.

  32. Ossadtchi A., Mosher J.C., Sutherling W.W., Greenblatt R.E., Leahy R.M. Hidden markov modelling of spike propagation from interictal MEG data. Physics in Medicine and Biology. 2005. 50(14): 3447–3469.

  33. Patten T.M., Rennie C.J., Robinson P.A., Gong P. Human cortical traveling waves: Dynamical properties and correlations with responses. PLoS ONE. 2012. 7(6): e38392.

  34. Petrov Y. Harmony: EEG/MEG Linear Inverse Source Reconstruction in the Anatomical Basis of Spherical Harmonics. PLoS ONE. 2012. 7(10): e44439

  35. Prechtl J.C., Cohen L.B., Pesaran B., Mitra P.P., Kleinfeld D. Visual stimuli induce waves of electrical activity in turtle cortex. Proceedings of the National Academy of Sciences. 1997. 94(14): 7621–7626.

  36. Stead M., Bower M., Brinkmann B.H., Lee K., Marsh W.R., Meyer F.B., Litt B., Gompel J.V., Worrell G.A. Microseizures and the spatiotemporal scales of human partial epilepsy. Brain: a journal of neurology. 2010. 133(9): 2789–2797.

  37. Tadel F., Baillet S., Mosher J., Pantazis D., Leahy R.M. Brainstorm: A user-friendly application for MEG/EEG analysis. Computational Intelligence and Neuroscience. 2011.

  38. Tibshirani R. Regression shrinkage and selection via the lasso. Journal of the Royal Statistical Society. 1996. 58(1): 267–288.

  39. Tomlinson S.B., Bermudez C., Conley C., Brown M.W., Porter B.E., Marsh E.D. Spatiotemporal mapping of interictal spike propagation: A novel methodology applied to pediatric intracranial EEG recordings. Frontiers in Neurology. 2016. 7.

  40. Wu J.-Y., Huang X., Zhang C. Propagating waves of activity in the neocortex: What they are, what they do. The Neuroscientist. 2007. 14(5): 487–502.

  41. Zhang H., Watrous A.J., Patel A., Jacobs J. Theta and alpha oscillations are traveling waves in the human neocortex. Neuron. 2018. 98(6): 1269–1281.e4.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал