Механизмы изменения динамической сложности паттернов физиологических сигналов (300,00 руб.)

Стр.2

Стр.3

Стр.4

Стр.5

Стр.6

БУДК 612 БК 28.707.2 Д45 Рецензен т ы: д-р мед. наук, чл.-корр. РАН Д. П. Дворецкий (Ин-т физиологии им. И. П. Павлова РАН); д-р биол. наук, проф., акад. РАН, гл. науч. сотр. С. В. Медведев (Ин-т мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН) Санкт-Петербургского государственного университета Рекомендовано к публикации научной комиссией в области биологических наук Д45 Дик О. Е., Ноздрачев А. Д. Механизмы изменения динамической сложности паттернов физиологических сигналов / О. Е. Дик, А. Д. Ноздрачев. — СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2019. — 200 с. ISBN 978-5-288-05932-2 В монографии рассмотрены биофизические механизмы, лежащие в основе изменения динамической сложности паттернов электрической активности мозга и непроизвольных колебаний руки при возникновении патологических состояний, связанных с тревожно-фобическими расстройствами, сосудистыми нарушениями, эпилептическими повреждениями, двигательными дисфункциями и нейропатической болью. Сформулирована новая научная концепция, состоящая в том, что использование совокупности методов нелинейной динамики к анализу структурных перестроек, происходящих в паттернах физиологических ритмов, позволяет выявлять механизмы, лежащие в основе модуляции динамическиой сложности этих ритмов при возникновении патологического состояния. Представленные в нем результаты исследований позволяют оценить степень нарушений функционального состояния нервной системы и представляют собой новые подходы к диагностике этих состояний. Издание адресовано как биофизикам, нейрофизиологам, так и клиницистам-практикам. УДК 612 ББК 28.707.2 Исследование выполнено при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований государственных академий на 2013–2020 гг. (ГП-14, раздел 64). ISBN 978-5-288-05932-2 © Санкт-Петербургский государственный университет, 2019 © О. Е. Дик, А. Д. Ноздрачев, 2019

Стр.2

Оглавление Введение ................................................................................................................... Глава 1. Методы исследования ......................................................................... 1.1. Вейвлет-анализ физиологических сигналов ................................ 1.2. Дискретное вейвлет-преобразование сигнала ........................... 1.3. Интегральная оценка спектральной плотности энергии сигнала .................................................................................. 1.4. Непрерывное вейвлет-преобразование сигнала и оценивание энергии сигнала ....................................................... 1.5. Сравнение вейвлетного преобразования сигнала с быстрым преобразованием Фурье и оконным преобразованием Фурье ............................................. 1.6. Кросс-вейвлетные спектры и оценивание вейвлет-когерентности двух сигналов .......................................... 1.7. Фрактальный анализ физиологических сигналов ...................... 1.8. Оценка степени мультифрактальности физиологических сигналов .............................................................. 1.9. Метод рекуррентного анализа ........................................................ 1.10. Метод совместного рекуррентного анализа ................................ 1.11. Локализация неустойчивых периодических орбит .................... 1.12. Построение фазовых портретов физиологических сигналов .. 1.13. Метод бифуркационного анализа .................................................. Глава 2. Механизмы изменения динамической сложности паттернов ЭЭГ при эпилептическом повреждении мозга ....... 2.1. Нелинейная динамика паттернов ЭЭГ человека при эпилептическом повреждении мозга .................................... 2.2. Вейвлетные спектры паттернов ЭЭГ человека при эпилептическом повреждении мозга .................................... 2.3. Мультифрактальные характеристики паттернов ЭЭГ человека при эпилептическом повреждении мозга .................................... 2.4. Анализ возможности автоматического выявления эпилептических разрядов на основе вейвлетных и мультифрактальных характеристик паттернов ЭЭГ ................ 7 10 13 13 15 16 19 20 21 23 27 30 30 31 32 36 36 37 41 44 3

Стр.3

Глава 3. Механизмы изменения динамической сложности паттернов ЭЭГ, лежащие в основе коррекции психогенной боли при тревожно-фобических состояниях ...... 3.1. Нелинейная динамика паттернов ЭЭГ человека при нарушении функционального состояния мозга, связанного с тревожно-фобическими расстройствами ............. 3.2. Спектры Фурье паттернов ЭЭГ человека при тревожно-фобических расстройствах .................................... 3.3. Вейвлетные спектры паттернов ЭЭГ человека при тревожно-фобических расстройствах .................................... 3.4. Мультифрактальные характеристики паттернов ЭЭГ человека при тревожно-фобических расстройствах .................. 3.5. Анализ возможности коррекции тревожно-фобических расстройств на основе вейвлетных и мультифрактальных характеристик паттернов ЭЭГ .......................................................... Глава 4. Анализ способности мозга к усвоению ритма заданной частоты при сосудистой патологии разной степени тяжести ..................................................................... 4.1. Нелинейная динамика паттернов ЭЭГ человека при нарушении функционального состояния мозга, связанного с сосудистой патологией мозга ................................. 4.2. Анализ фоновых паттернов ЭЭГ человека с сосудистой патологией мозга ....................................................... 4.3. Нелинейная динамика реактивных паттернов ЭЭГ: вейвлет-анализ .................................................................................. 4.4. Оценка коэффициента усвоения ритма заданной частоты ...... 4.5. Оценка времени нарастания энергии вейвлетного спектра во время ритмической фотостимуляции ...................................... 4.6. Оценка коэффициента удержания ритма заданной частоты ... 4.7. Анализ способности мозга к воспроизведению светового стимула при сосудистой патологии разной степени тяжести .................................................................... 4.8. Сравнение результатов вейвлетного преобразования реактивных паттернов ЭЭГ с результатами быстрого и оконного преобразования Фурье ............................................... Глава 5. Механизмы изменения динамической сложности паттернов ЭЭГ при нарушении сердечного ритма ..................... 5.1. Нелинейная динамика паттернов ЭЭГ человека при нарушении сердечного ритма ................................................. 4 50 50 51 53 56 61 63 63 64 68 76 78 78 81 83 86 86

Стр.4

5.2. Оценка кросс-вейвлетных спектров светового сигнала и реактивного паттерна ЭЭГ при фибрилляциях предсердий пароксизмального и постоянного типа ........................................ 5.3. Вейвлетный анализ реактивных паттернов ЭЭГ при фибрилляциях предсердий пароксизмального и постоянного типов .......................................................................... 5.4. Оценка реакции усвоения ритма в паттернах ЭЭГ у пациентов с фибрилляцией предсердий на основании анализа рекуррентных диаграмм ................................................... 5.5. Оценка различий в функциональном состоянии ЦНС у пациентов с нарушениями сердечного ритма в виде мерцательной аритмии пароксизмального и постоянного типов ..................................................................................................... Глава 6. Механизмы изменения динамической сложности непроизвольных колебаний руки человека при двигательных нарушениях ....................................................... 6.1. Нелинейная динамика непроизвольных колебаний руки человека при двигательных нарушениях .................................... 6.2. Энергетические характеристики непроизвольных колебаний руки человека ................................ 6.3. Оценка эффективности лекарственного воздействия на двигательную активность человека на основании изучения вейвлетных свойств тремора ........................................ 6.4. Мультифрактальные характеристики непроизвольных колебаний руки человека ................................ 6.5. Оценка эффективности лекарственного воздействия на двигательную активность человека на основании мультифрактальных свойств тремора ........................................... 6.6. Сравнительный анализ вейвлетных и мультифрактальных характеристик тремора пациентов с болезнью Паркинсона и пациентов с синдромом эссенциального тремора .................................................................. 6.7. Уменьшение динамической сложности при двигательных нарушениях ....................................................... 6.8. Портреты фазовых траекторий непроизвольных колебаний руки человека ...................................................................................... 6.9. Рекуррентные диаграммы непроизвольных колебаний руки человека ...................................................................................... 6.10. Сравнительные характеристики рекуррентных диаграмм для паркинсонического и эссенциального тремора ......................... 6.11. Локализация неустойчивых периодических орбит непроизвольных колебаний руки человека ................................ 87 89 92 93 99 99 101 104 109 112 115 120 121 123 127 129 5

Стр.5

Глава 7. Механизмы возникновения антиноцептивного ответа сенсорного нейрона ............................................................................. 132 7.1. Нелинейная динамика паттернов импульсной активности ноцицепторов при восприятии болевого сигнала ..................... 7.2. Модель мембраны ноцицептивного нейрона ............................. 7.3. Разделение пространства параметров модели на области качественно различных решений ............................. 7.4. Определение связи между значениями параметров модели ноцицептивного нейрона и типом решения .............................. 7.5. Определение механизмов возникновения пачечной активности в модели мембраны ноцицептивного нейрона .... 7.6. Определение влияния коменовой кислоты на параметры модели мембраны ноцицептивного нейрона ............................. 7.7. Определение влияния параметров активационной воротной структуры натриевого канала на ритмическую активность мембраны ноцицептивного нейрона ............................................ 7.8. Определение влияния модификации параметров активационной воротной структуры натриевого канала на пачечную активность мембраны ноцицептивного нейрона ................................................................................................ 7.9. Определение влияния проводимости медленных натриевых каналов на импульсную активность мембраны ноцицептивного нейрона ................................................................ 7.10. Сравнение импульсной активности модели мембраны ноцицептивного нейрона до и после ее модификации в условиях блокирования калиевого тока .................................... 7.11. Бифуркационный анализ смены режимов импульсной активности модели мембраны ноцицептивного нейрона при изменении величины стимулирующего тока ....................................................................... 7.12. Определение механизма возникновения пачечной активности в модели мембраны ноцицептивного нейрона в условиях блокирования калиевого тока ................... 7.13. Переход от ритмической активности к пачечной включает в себя решения типа «утки» (torus canards) ................ 7.14. Определение связи между изменением параметров модели мембраны ноцицептивного нейрона и подавлением пачечной активности при возникновении антиноцицептивного ответа в условиях блокирования калиевого тока .................................................................................... 132 135 140 142 147 154 156 157 158 160 165 167 170 173 Заключение .............................................................................................................. 176 Литература ............................................................................................................... 178 6

Стр.6