Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Только для подписчиков

АЛГОРИТМ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА ВО ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОГНИТИВНЫХ ЗАДАЧ


https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-5-104-111

Полный текст:


Аннотация

Введение: многие виды человеческой деятельности ассоциируются с возникновением характерных паттернов на электроэнцефалографических записях, которые обладают общими свойствами для разных испытуемых. Среди них можно выделить отклик мозга на визуальные стимулы, регистрируемый в затылочной области или нейронную активность, связанную с двигательными функциями, регистрируемую в моторной коре. В то же время, более сложная деятельность человека может вызывать различные сценарии нейронной динамики в зависимости от индивидуальных особенностей человека. Наиболее значительно данный эффект проявляется при выполнении человеком когнитивных задач. В частности, показано, что индивидуальные особенности определяют сценарии нейронной активности при принятии решений и влияют на эффективность обучения. Можно предположить, что индивидуальные особенности человеческой личности определяют стратегию, которую человек использует при решении когнитивных задачи, что, в свою очередь, отражается на динамике нейронной сети мозга и может быть детектировано на электроэнцефалографических записях. Цель: разработка алгоритма оценки индивидуальных пространственно-временных и частотно-временных характеристик электрической активности головного мозга при решении когнитивных задачи. Результаты: предложен алгоритм, позволяющий выявить индивидуальные особенности функционирования нейронной сети мозга при выполнении когнитивных задач на основе анализа многоканальных электроэнцефалограмм. Алгоритм реализован в виде интерфейса мозг-компьютер и протестирован на группе испытуемых, которые выполняют тест Шульте. Показано, что выявленные индивидуальные особенности активности мозга могут ассоциируются со свойствами человеческого внимания в процессе решения задач. Практическая значимость: полученные результаты представляют большой интерес для тестирования и диагностики. Они являются основой для разработки автоматических интеллектуальных систем для оценки и контроля умственных способностей человека.


Об авторах

В. А. Максименко
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Россия

Максименко Владимир Александрович - кандидат физико-математических наук, доцент Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Нелинейная динамика сложных систем». В 2012 году окончил Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского по специальности «Физика открытых нелинейных систем». В 2015 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Является автором более 50 научных публикаций.

Область научных интересов —  анализ устойчивости динамических режимов, реализующихся в пространственно-распределенных системах различной природы и др.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054.



А. Е. Руннова
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
Россия

Руннова Анастасия Евгеньевна - кандидат физико-математических наук, Докторант, доцент кафедры автоматизации, управления, мехатроники Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., старший научный сотрудник Научно-образовательного центра «Нелинейная динамика сложных систем». В 2005 году окончила Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского по специальности «Физика». В 2008 году защитила диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Является автором более 40 научных публикаций.

Область научных интересов — теория динамических систем, нейрофизиология, методы обработки данных.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054.



Р. А. Куланин
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Россия

Куланин Роман Анатольевич - младший научный сотрудник, научный сотрудник научно-образовательного центра «Нелинейная динамика сложных систем» Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А. В 2010 году окончил Саратовский государственный социально-экономический университет по специальности «Производственный менеджмент».  Является автором пяти научных публикаций.

Область научных интересов — экспериментальное исследование активности головного мозга  при выполнении когнитивных  задач, обработка, моделирование  и статистический анализ данных  биологической природы.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054.



П. А. Протасов
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Россия

Протасов Павел Александрович - младший научный сотрудник Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.  В 2013 году окончил Саратовский государственный университет им. В.И. Разумовского   по специальности «Клиническая психология».  Является автором пяти научных публикаций. 

Область научных интересов — теория разрядных вычислений, методы проектирования спецпроцессоров для систем контроля и управления, оптико-информационные системы.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054.



М. О. Журавлев
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.; Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Россия

Журавлев Максим Олегович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики открытых систем Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского и кафедры геоэкологии и инженерной геологии СГТУ им. Гагарина Ю.А. В 2011 году окончил Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского по специальности «Физик». В 2014 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Является автором более 20 научных публикаций.

Область научных интересов — приложение вейвлетного анализа к задачам нелинейной динамики, классическая и хаотическая синхронизация колебаний в распределенных системах электронно-волновой природы и др.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054; Саратов, 410012.



П. Чолак
Мадридский политехнический университет
Испания

Чолак Парт - младший научный сотрудник, аспирант Технического университета Мадрида.  В 2017 году получил диплом бакалавра Индийского института технологии по специальности «Механическая инженерия», в 2018 году — степень магистра по специальности «Биоинженерные науки» в Техническом университете Мадрида.  Является автором пяти научных публикаций. 

Область научных интересов — анализ нейрофизиологических сигналов и выявление биомаркеров, связанных с памятью, болезнью Альцгеймера, воображаемыми движения, принятием решений.

ул. Рамиро де Маэцту, 7,  28040, Мадрид.



А. Н. Писарчик
Мадридский политехнический университет
Испания

Писарчик Александр Николаевич - профессор, ведущий научный сотрудник Центра биомедицинских технологий Технического университета Мадрида, академический редактор журнала PLoS One и др.  В 1976 году окончил Белорусский государственный университет по специальности «Физика».  В 1990 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Является автором более 300 научных публикаций и пяти патентов на изобретения. 

Область научных интересов — нелинейная динамика, хаос, синхронизация, нейронная динамика, мультистабильность,  стохастические эффекты, анализ  нейрофизиологических данных  и интерфейсы мозг-компьютер.

ул. Рамиро де Маэцту, 7,  28040, Мадрид.



А. Е. Храмов
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.; Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Россия

Храмов Александр Евгеньевич - доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой автоматизации, управления, мехатроники Саратовского государственного технического университета им. Гагарина Ю.А., профессор кафедры электроники, колебаний и волн Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. В 1996 году окончил Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского. В 2005 году защитил диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Является автором более 200 научных публикаций.

Область научных интересов — нейронаука, теория сложных сетей, вейвлет-анализ и его приложения в нелинейной динамике и нейронауке, нейроинтерфейсы.

Политехническая ул, 77, Саратов, 410054; Саратов, 410012.



Список литературы

1. Maksimenko V. A., Runnova A. E., Frolov N. S., Makarov V. V., Nedaivozov V. O., Koronovskii A. A., Pisarchik A. N., Hramov A. E. Multiscale neural connectivity during human sensory processing in the brain. Phys. Rev. E, 2018, vol. 97, 052405, pp. 1–9.

2. Maksimenko V. A., Runnova A. E., Zhuravlev M. O., Makarov V. V., Nedayvozov V. O., Grubov V. V., Pchelintceva S. V., Hramov A. E., Pisarchik A. N. Visual perception affected by motivation and alertness controlled by a noninvasive brain-computer interface. PloS One, 2017, vol. 12(12), p. e0188700.

3. Foxe J. J., Snyder A. C. The role of alpha-band brain oscillations as a sensory suppression mechanism during selective attention Frontiers in Psychology, 2011, vol. 2, p. 154.

4. Sauseng P., Klimesch W., Stadler W., Schabus M., Doppelmayr M., Hanslmayr S., Gruber W. R., Birbaumer N. A shift of visual spatial attention is selectively associated with human EEG alpha activity. European Journal of Neuroscience, 2005, vol. 22(11), pp. 2917–2926.

5. Basar E., Güntekin B. A short review of alpha activity in cognitive processes and in cognitive impairment. International Journal of Psychophysiology, 2012, vol. 86(1), pp. 25–38.

6. Sehatpour P., Molholm S., Schwartz T. H., Mahoney J. R., Mehta A. D., Javitt D. C., Stanton P. K., Foxe J. J. A human intracranial study of long-range oscillatory coherence across a frontal–occipital–hippocampal brain network during visual object processing. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2008, vol. 105(11), pp. 4399–4404.

7. Gola M., Magnuski M., Szumska I., Wróbel A. EEG beta band activity is related to attention and attentional deficits in the visual performance of elderly subjects. International Journal of Psychophysiology, 2013, vol. 89(3), pp. 334–341.

8. Duann J. R., Chiou J. C. A comparison of independent event-related desynchronization responses in motor-related brain areas to movement execution, movement imagery, and movement observation. PloS One, 2016, vol. 11(9), e0162546.

9. Guillet A., Di Rienzo F., Maclntyre T., Moran A., Collet C. Imagining is not doing but involves specific motor commands: a review of experimental data related to motor inhibition. Frontiers in Human Neuroscience, 2012, vol. 6, p. 247.

10. Wolpaw J. R., McFarland D. J. Control of a two-dimensional movement signal by a noninvasive brain-computer interface in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2004, vol. 101(51), pp. 17849–17854.

11. Maksimenko V. A., Pavlov A. N., Runnova A. E., Nedaivozov V. O., Grubov V. V., Koronovskii A. A., Pchelintseva S. V., Pitsik E., Pisarchik A. N., Hramov A. E. Nonlinear analysis of brain activity, associated with motor action and motor imaginary in untrained subjects. Nonlinear Dynamics, 2018, vol. 91(4), pp. 2803–2817.

12. Franken I. H. A., Muris P. Individual differences in decision-making. Personality and Individual Differences, 2005, vol. 39(5), pp. 991–998.

13. Chamorro-Premuzic T., Furnham A. Personality, intelligence and approaches to learning as predictors of academic performance. Personality and Individual Differences, 2008, vol. 44(7), pp. 1596–1603.

14. Edwards A. L., Abbott R. D. Measurement of personality traits: theory and technique. Annual Review of Psychology, 1973, vol. 24(1), pp. 241–278.

15. Roslan N. S., Izhar L. I., FayeI., Saad M. N. M., Sivapalan S., Rahman M. A. Review of EEG and ERP studies of extraversion personality for baseline and cognitive tasks. Personality and Individual Differences, 2017, vol. 119, pp. 323–332.

16. Korjus K., Uusberg A., Uusberg H., Kuldkepp N., Kreegipuu K., Allik J., Vicente R., Aru J. Personality cannot be predicted from the power of resting state EEG. Frontiers in Human Neuroscience, 2015, vol. 9(63), pp. 1–7.

17. Pavlov A. N., Hramov A. E., Koronovskii A. A., Sitnikova Yu. E., Makarov V. A., Ovchinnikov A. A. Wavelet analysis in neurodynamics. Physics-Uspekhi, 2012, vol. 55(9), pp. 845–875.

18. Park C., Looney D., Kidmose P., Ungstrup M., Mandic D. P. Time-frequency analysis of EEG asymmetry using bivariate empirical mode decomposition. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2011, vol. 19(4), pp. 366–373.

19. Rogers L. J, Zucca P, Vallortigara G. Advantages of having a lateralized brain. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 2004, 271, (Suppl 6), pp. S420-S422.

20. Barry R. J, Clarke A. R, Johnstone S. J. A review of electrophysiology in attention-deficit/hyperactivity disorder: I. Qualitative and quantitative electroencephalography. Clinical neurophysiology, 2003, vol. 114(2), pp. 171–183.

21. Luschekina E, Khaerdinova O. Y, Luschekin V., Strelets V. Interhemispheric differences in the spectral power and coherence of EEG rhythms in children with autism spectrum disorders. Human Physiology, 2017, vol.43(3), pp. 265–273.

22. Santarnecchi E, Tatti E, Rossi S, Serino V, Rossi A. Intelligence-related differences in the asymmetry of spontaneous cerebral activity. Human brain mapping, 2015, vol. 36(9), pp. 3586–3602.

23. Oswald W. D., Roth E. Der zahlen-verbindungs-test: (ZVT), ein sprachfreier intelligenz-test zur messung der “kognitiven leistungsgeschwindigkeit”, Handanweisung. Verlag für Psychologie Hogrefe, 1987, 62 p.

24. Neubauer A. C, Knorr E. Three paper-and-pencil tests for speed of information processing: Psychometric properties and correlations with intelligence. Intelligence, 1998, vol. 26(2), pp.123–151.

25. Pavlenko V., Lutsyuk N., Borisova M. Correlation of the characteristics of evoked EEG potentials with individual peculiarities of attention in children. Neurophysiology, 2004, vol. 36(4), pp. 276–284.


Дополнительные файлы

Для цитирования: Максименко В.А., Руннова А.Е., Куланин Р.А., Протасов П.А., Журавлев М.О., Чолак П., Писарчик А.Н., Храмов А.Е. АЛГОРИТМ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ АКТИВНОСТИ МОЗГА ВО ВРЕМЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОГНИТИВНЫХ ЗАДАЧ. Информационно-управляющие системы. 2018;(5):104-111. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-5-104-111

For citation: Maksimenko V.A., Runnova A.E., Kulanin R.A., Protasov P.A., Zhuravlev M.O., Chholak P., Pisarchik A.N., Hramov A.E. ALGORITHM FOR AUTOMATIC ESTIMATION OF HUMAN BRAIN ACTIVITY FEATURES DURING MENTAL TASK EVALUATION. Information and Control Systems. 2018;(5):104-111. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2018-5-104-111

Просмотров: 139


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1684-8853 (Print)
ISSN 2541-8610 (Online)