W poszukiwaniu źródeł aktywności poznawczej mózgu

Nazwa Projektu: W poszukiwaniu źródeł aktywności poznawczej mózgu.
Nazwa Programu lub funduszu: Symfonia 4.
Koszty całkowite: 4 824 800 PLN.
Wartość dofinansowania: 4 824 800 PLN.
Okres realizacji: 2016 – 2024.

Cel badań/Hipoteza
W celu zbadania mechanizmów, przy pomocy których mózg realizuje swoje funkcje kognitywne konieczne jest zrozumienie, jak aktywność jego struktur kształtuje sygnały rejestrowane przez powszechnie stosowane metody badawcze – EEG i fMRI. Celem proponowanego Projektu jest znalezienie optymalnej metody identyfikacji struktur mózgowych generujących zbiorczą aktywność EEG, rejestrowaną na powierzchni czaszki poprzez zidentyfikowanie jej składowych – specyficznych wzorców aktywności EEG charakterystycznych dla poszczególnych aktywowanych jednocześnie struktur.

Metoda Badawcza
Planujemy przeprowadzenie na grupie ochotników pakietu testów kognitywnych angażujących wybraną strukturę z jednoczesną rejestracją sygnałów EEG i BOLD (fMRI). Uzyskane dane zostaną przeanalizowane przy pomocy nowatorskich metod opracowywanych w zespole badawczym na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika zoptymalizowanych tak, by wykrywały zestawy unikatowych cech sygnału EEG, charakterystycznych dla aktywowanej struktury uczestniczącej w zadaniu (EEGfp). W planowanym Projekcie opracujemy algorytm znajdywania wzorca EEGfp oparty o estymator pseudo-nieobciążony obniżonego rzędu o najmniejszej wariancji (rozwiązanie własne). Na potencjalne istnienie unikatowych wzorców charakteryzujących aktywność danej struktury wskazują badania Kreinen i wsp. (2014), którzy rejestrując sygnał BOLD stwierdzili samoorganizowanie się struktur mózgu w specyficzne mini-sieci o trwałej, niezależnej od zadania architekturze. Na istnienie stałego wzorca EEG wskazuje praca Rosanova i wsp. (2009), w której pokazano, że po zakłóceniu stanu spoczynkowego impulsem TMS wzbudzenie przejawiało się wzrostem amplitudy konkretnych częstotliwości w pobudzonych obszarach kory (13-20 Hz w okolicach kory czuciowo-ruchowej oraz 21-50 Hz w okolicach kory czołowej). W końcowym etapie badań przeprowadzimy (opracowany przez zespół badawczy Światowego Centrum Słuchu) trening fMRI-neurofeedback z jednoczesną rejestracją EEG, w celu specyficznej aktywacji wybranej struktury i sprawdzenia, czy określony dla niej wzorzec EEG-fp jest rozpoznawalny w zbiorczej aktywności elektroencefalograficznej rejestrowanej z powierzchni głowy

Wpływ rezultatu
Dzięki doskonałej rozdzielczości czasowej EEG umożliwia monitorowanie zachodzących w mózgu zmian z dokładnością do milisekund. Znaczącym ograniczeniem tej metody jest słaba rozdzielczość przestrzenna – zapis EEG stanowi trudną do rozwikłania mieszaninę sygnałów elektrycznych pochodzących z różnych obszarów mózgu. Mimo intensywnych badań niewiele wiadomo o generatorach odpowiedzialnych za aktywację poszczególnych pasm EEG. W dotychczas publikowanych pracach nie przesądza się czy rejestrowane sygnały EEG mają swoje źródła w wielu niezależnych, czy też w kilku zsynchronizowanych generatorach (Siegel i wsp., 2012). Niejednoznaczność ta wynika z małej rozdzielczości przestrzennej EEG oraz z braku sprawdzonych algorytmów pozwalających na jednoznaczne oszacowanie źródeł sygnału (źle zdefiniowany problem odwrotny). Ta niemożność określenia źródeł sygnału rozchodzącego się w mózgu została zdefiniowana już w roku 1853 przez Helmholtza, z kolei Fender (1987) udowodnił, że zarejestrowany na powierzchni czaszki sygnał EEG może być wygenerowany przez nieskończoną liczbę źródeł, a ich rzeczywistej dystrybucji nie da się określić nawet przy użyciu nieskończonej liczby elektrod. Wszystkie powyższe ograniczenia powodują, że wyniki uzyskane tymi metodami praktycznie uniemożliwiają porównywanie wyników z różnych osób badanych. Błędne założenia początkowe (jak niedopasowany model mózgu) lub błędna separacja i interpretacja składowych wytwarzają fałszywy obraz generatorów EEG i uniemożliwiają poprawną interpretację wyników badań. Ten grzech pierworodny EEG nie pozwala na pełne i poprawne zrozumienie roli poszczególnych struktur w kształtowaniu sygnału EEG zarejestrowanego w trakcie funkcjonowania mózgu i powiązania ich aktywności z zachowaniem i funkcjami kognitywnymi. eliminacji tych ograniczeń i określenie czasowo-przestrzennej charakterystyki wyzwalanej zadaniami kognitywnymi aktywności elektrycznej różnych obszarów mózgu. Identyfikacja unikatowych cech sygnału EEG właściwych dla danej struktury lub regionalnej sieci struktur – specyficznego wzorca EEG (EEGfp) – pozwoli również na znacznie szersze zastosowanie EEG w medycynie, szczególnie w diagnostyce i monitorowaniu terapii dysfunkcji wyższorzędowych struktur układu nerwowego.

Poza IFPS w skład konsorcjum wchodzą:

Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Interdyscyplinarne Centrum Nowoczesnych Technologii – Lider konsorcjum naukowego – Zespół II.
Instytut Biologii Doświadczalnej im. M. Nenckiego Polskiej Akademii Nauk- Partner.
Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej – Lider konsorcjum naukowego – Zespół I.

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki ze środków budżetu państwa.