1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова
  4. T. 73, № 2, 2023

Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 2023, T. 73, № 2, стр. 242-255

Использование методов машинного обучения для анализа паттернов активности мозга в процессе оценки себя и других людей

Г. Г. Князев 1, *, А. Н. Савостьянов 1, 2, 3, П. Д. Рудыч 1, А. В. Бочаров 1, 2

1 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение “Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины”
Новосибирск, Россия

2 Новосибирский государственный университет
Новосибирск, Россия

3 Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики СО РАН
Новосибирск, Россия

* E-mail: knyazev@physiol.ru

Поступила в редакцию 05.06.2022
После доработки 28.06.2022
Принята к публикации 31.10.2022

Аннотация

Изучение активности мозга в процессе обработки самореферентной информации, в сравнении с обработкой информации, относящейся к другим людям, базируется на применении массового одномерного анализа, основанного на предположении, что активность в одном регионе не зависит от активности в других регионах. В последнее время в нейровизуализации растет интерес к исследованию пространственно распределенной информации с помощью многомерных подходов, таких как многовоксельный анализ паттернов (МВАП). В данной работе мы использовали МВАП для анализа фМРТ-данных, записанных при выполнении задания по оцениванию себя и других людей разной степени близости. Тестирование выявленных в процессе машинного обучения паттернов показало, что они позволяют в 75–88% случаев предсказать по активности мозга, оценивает ли испытуемый себя или другого человека. Прогностически значимые структуры были широко распределены по разным областям мозга и, помимо корковых срединных структур, дававших наибольший вклад, включали области зрительной, латеральной префронтальной и многих других корковых зон. При классификации “Я”–”Другие” наиболее информативными для выбора варианта “Я” являлись вентральные области медиальной префронтальной и поясной коры, а для выбора варианта “Другие” – теменные и затылочные срединные области. Анализ главных компонент позволил выявить комбинацию структур мозга, включающую переднюю часть поясной извилины и обе миндалины, факторные оценки которой коррелировали положительно с психометрической шкалой чувствительности к награде и отрицательно со шкалами нейротизма. Активность этой комбинации структур может рассматриваться в качестве фактора защиты от аффективных расстройств. В целом полученные результаты показывают плодотворность использования методов машинного обучения для анализа данных такого рода экспериментов.

Ключевые слова: “Я”, самооценка, оценка других людей, фМРТ, машинное обучение, многовоксельный анализ паттернов

Список литературы

  1. Князев Г.Г. Кодирование смысла в активности мозга. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2022. 72 (6): 800–825.

  2. Atlas L.Y., Lindquist M.A., Bolger N., Wager T.D. Brain mediators of the effects of noxious heat on pain. Pain. 2014. 155: 1632–1648.

  3. Barsalou L.W., Simmons W.K., Barbey A.K., Wilson C.D. Grounding conceptual knowledge in modality-specific systems. Trends in Cognitive Sciences. 2003. 7: 84–91.

  4. Branco P., Torgo L., Ribeiro R.P. A Survey of Predictive Modeling on Imbalanced Domains. ACM Computing Surveys. 2016. 49: 1–50.

  5. Damasio A. Mental self: the person within. Nature. 2003. 423:227.

  6. Dannlowski U., Konrad C., Kugel H., Zwitserlood P., Domschke K., Schoning S., Ohrmann P., Bauer J., Pyka M., Hohoff C., Zhang W.Q., Baune B.T., Heindel W., Arolt V., Suslow T. Emotion specific modulation of automatic amygdala responses by 5-HTTLPR genotype. Neuroimage. 2010. 53: 893–898.

  7. Davidson R.J. Anterior cerebral asymmetry and the nature of emotion. Brain and Cognition. 1992. 20: 125–151.

  8. Denny B.T., Kober H., Wager T.D., Ochsner K.N. A meta-analysis of functional neuroimaging studies of self and other judgments reveals a spatial gradient for mentalizing in medial prefrontal cortex. J. Cognitive Neuroscience. 2012. 24: 1742–1752.

  9. Finlayson-Short L., Davey C.G., Harrison B.J. Neural correlates of integrated self and social processing. Social cognitive and affective neuroscience. 2020. 15: 941–949.

  10. Finlayson-Short L., Harrison B.J., Davey C. Self-other referential neural processing in social anxiety disorder and major depressive disorder. NeuroImage: Clinical. 2021. 30: 102669.

  11. Frith U., Frith C.D. Development and neurophysiology of mentalizing. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological sciences. 2003. 358: 459–473.

  12. Fossati P., Hevenor S.J., Graham S.J., Grady C., Keightley M.L., Craik F., Mayberg H. In search of the emotional self: an FMRI study using positive and negative emotional words. American J. Psychiatry. 2003. 160: 1938–1945.

  13. Fusar-Poli P., Placentino A., Carletti F., Allen P., Landi P., Abbamonte M., Barale F., Perez J., McGuire P., Politi P.L. Laterality effect on emotional faces processing: ALE meta-analysis of evidence. Neuroscience letters. 2009. 452 (3): 262–267.

  14. Gallagher S. A pattern theory of self. Frontiers in Human Neuroscience. 2013. 7: 443.

  15. Gallagher H.L., Frith C.D. Functional imaging of ‘theory of mind’. Trends in Cognitive Sciences. 2003. 7: 77–83.

  16. Gillihan S.J., Farah M.J. Is self special? A critical review of evidence from experimental psychology and cognitive neuroscience. Psychological Bulletin. 2005. 131: 76–97.

  17. Grigg O., Grady C.L. The default network and processing of personally relevant information: Converging evidence from task-related modulations and functional connectivity. Neuropsychologia. 2010. 48: 3815–3823.

  18. Grimm S., Ernst J., Boesiger P., Schuepbach D., Hell D., Boeker H., Northoff G. Increased self-focus in major depressive disorder is related to neural abnormalities in subcortical-cortical midline structures. Human Brain Mapping. 2009. 30: 2617–2627.

  19. Hamilton J.P., Furman D.J., Chang C., Thomason M.E., Dennis E., Gotlib I.H. Default-mode and task-positive network activity in major depressive disorder: implications for adaptive and maladaptive rumination. Biological Psychiatry. 2011. 70: 327–333.

  20. Haynes J.D., Rees G. Decoding mental states from brain activity in humans. Nature Reviews Neuroscience. 2006. 7: 523–534.

  21. Heatherton T.F., Wyland C.L., Macrae C.N., Demos K.E., Denny B.T., Kelley W.M. Medial prefrontal activity differentiates self from close others. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 2006. 1: 18–25.

  22. Hood B. The self illusion: How the social brain creates identity. Oxford, UK: Oxford University Press. 2012.

  23. Ingram R.E., Luxton D.D. Vulnerability-stress models. Development of psychopathology: A vulnerability-stress perspective. 2005. 46.

  24. Kelley W.M., Macrae C.N., Wyland C.L., Caglar S., Inati S., Heatherton T.F. Finding the self? An event-related fMRI study. J. Cognitive Neuroscience. 2002. 14: 785–794.

  25. Knyazev G.G., Savostyanov A.N., Bocharov A.V., Rudych P.D. Intrinsic Connectivity Networks in the Self- and Other-Referential Processing. Frontiers in Human Neuroscience. 2020. 14: 579703.

  26. Knyazev G.G., Savostyanov A.N., Bocharov A.V., Rudych P.D. How self-appraisal is mediated by the brain. Frontiers in Human Neuroscience. 2021. 15: 700046.

  27. Knyazev G.G., Savostyanov A.N., Bocharov A.V., Tamozhnikov S.S., Saprigyn A.E. Task-positive and task-negative networks and their relation to depression: EEG beamformer analysis. Behavioral Brain Research. 2016. 306: 160–169.

  28. Knyazev G.G., Savostyanov A.N., Bocharov A.V., Brak I.V., Osipov E.A., Filimonova E.A., Saprigyn A.E., Aftanas L.I. Task-positive and task-negative networks in major depressive disorder: A combined fMRI and EEG study. J. Affective Disorders. 2018. 235: 211–219.

  29. Knyazev G.G., Belopolsky V.I., Bodunov M.V., Wilson G.D. The factor structure of the Eysenck Personality Profiler in Russia. Personality and Individual Differences. 2004a. 37: 1681–1692.

  30. Knyazev G.G., Slobodskaya H.R., Wilson G.D. Comparison of the construct validity of the Gray–Wilson Personality Questionnaire and the BIS/BAS scales. Personality and Individual Differences. 2004b. 37: 1565–1582.

  31. Legrand D., Ruby P. What is self-specific? Theoretical investigation and critical review of neuroimaging results. Psychological Reviews. 2009. 116: 252–282.

  32. Ma Y.N., Li B.F., Wang C.B., Shi Z.H., Sun Y., Sheng F., Zhang Y.F., Zhang W.X., Rao Y., Han S.H. 5-HTTLPR polymorphism modulates neural mechanisms of negative self-reflection. Cerebral Cortex. 2014. 24: 2421–2429.

  33. Markowitsch H.J. Differential contribution of right and left amygdala to affective information processing. Behavioural Neurology. 1998. 11 (4): 233–244.

  34. Morin A., Michaud J. Self-awareness and the left inferior frontal gyrus: Inner speech use during self-related processing. Brain Research Bulletin. 2007. 74: 387–396.

  35. Murphy F.C., Nimmo-Smith I., Lawrence A.D. Functional neuroanatomy of emotions: A meta-analysis. Cognitive, Affective, & Behavioral Neuroscience. 2003. 3 (3): 207–233.

  36. Norman K.A, Polyn S.M, Detre G.J, Haxby J.V. Beyond mind-reading: multi-voxel pattern analysis of fMRT data. Trends in Cognitive Science (Regul. Ed.). 2006. 10: 424–430.

  37. Northoff G., Bermpohl F. Cortical midline structures and the self. Trends in Cognitive Sciences. 2004. 8: 102–107.

  38. Northoff G., Heinzel A., de Greck M., Bermpohl F. Dobrowolny H., Panksepp J. Self-referential processing in our brain – A meta-analysis of imaging studies on the self. NeuroImage. 2006. 31: 440–457.

  39. Ocklenburg S., Peterburs J., Mundorf A. Hemispheric asymmetries in the amygdala: A comparative primer. Progress in Neurobiology. 2022. 214: 102283.

  40. Pereira F., Mitchell T., Botvinick M. Machine learning classifiers and fMRT: a tutorial overview. Neuroimage. 2009. 45: 199–209.

  41. Pfeifer J.H., Lieberman M.D., Dapretto M. “I know who you are but what am I?!”: Neural bases of self- and social knowledge retrieval in children and adults. J. Cognitive Neuroscience. 2007. 19: 1323–1337.

  42. Phelps E.A., O’Connor K.J., Gatenby J.C., Gore J.C., Grillon C., Davis M. Activation of the left amygdala to a cognitive representation of fear. Nature Neuroscience. 2001. 4 (4): 437–441.

  43. Qin P., Northoff G. How is our self related to midline regions and the default-mode network? NeuroImage. 2011. 57: 1221–1233.

  44. Rao H.Y., Gillihan S.J., Wang J.J., Korczykowski M., Sankoorikal G.M.V., Kaercher K.A., Brodkin E.S., Detre J.A., Farah M.J. Genetic variation in serotonin transporter alters resting brain function in healthy individuals. Biological Psychiatry. 2007. 62: 600–606.

  45. Schrouff J., Rosa M.J., Rondina J.M., Marquand A.F., Chu C., Ashburner J., Phillips C., Richiardi J., Mourao-Miranda J. PRoNTo: Pattern Recognition for Neuroimaging Toolbox. Neuroinformatics. 2013. 11 (3): 319–337.

  46. Soch J., Deserno L., Assmann A., Barman A., Walter H., Richardson-Klavehn A., Schott B.H. Inhibition of information flow to the default mode network during self-reference versus reference to others. Cerebral Cortex. 2017. 27: 3930–3942.

  47. Tzourio-Mazoyer N., Landeau B., Papathanassiou D., Crivello F., Etard O., Delcroix N., Mazoyer B., Joliot M. Automated Anatomical Labeling of activations in SPM using a Macroscopic Anatomical Parcellation of the MNI MRI single-subject brain. NeuroImage. 2002. 15 (1): 273–289.

  48. Turk D.J., Heatherton T.F., Macrae C.N., Kelley W.M., Gazzaniga M.S. Out of contact, out of mind: the distributed nature of the self. Annals of the New York Academy of Sciences. 2003. 1001: 65–78.

  49. van Buuren M., Walsh R.J., Sijtsma H., Hollarek M., Lee N.C., Bos P.A., Krabbendam L. Neural correlates of self-and other-referential processing in young adolescents and the effects of testosterone and peer similarity. Neuroimage. 2020. 219: 117060.

  50. Vanderwal T., Hunyadi E., Grupe D.W., Connors C.M., Schultz R.T. Self, Mother and Abstract Other: an fMRI study of reflective social processing. Neuroimage 2008. 41: 1437–1446.

  51. Vogeley K., Gallagher S. The self in the brain. In The Oxford Handbook of the Self (ed. S. Gallagher). 2011. Oxford: Oxford University Press. 111–136.

  52. Wager T.D., Phan K.L., Liberzon I., Taylor S.F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 2003. 19 (3): 513–531.

  53. Watson D., Clark L.A., Harkness A.R. Structures of personality and their relevance to psychopathology. J. Abnormal Psychology. 1994. 103: 18–31.

  54. Worsley K.J., Marrett S., Neelin P., Vandal A.C., Friston K.J., Evans A.C. A unified statistical approach or determining significant signals in images of cerebral activation. Human Brain Mapping. 1996. 4: 58–73.

  55. Zald D.H. The human amygdala and the emotional evaluation of sensory stimuli. Brain Research Reviews. 2003. 41 (1): 88–123.

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