ГРУППА ИЗУЧЕНИЯ МОЗГА ЧЕЛОВЕКА (ГрИМ)

Группа изучения мозга человека (ГрИМ) была организована в рамках кафедры физиологии человека и животных биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова для выполнения научных и практических проектов, связанных с изучением функциональных состояний мозга человека при различных видах психической деятельности и при психопатологиях.

Основателем и руководителем ГрИМ является один из ведущих научных сотрудников кафедры, доктор биологических наук, профессор Александр Яковлевич Каплан.

Об исследованиях и разработках нашей группы в области интерфейса мозг-компьютер подробнее см. на новой странице:
Интерфейс мозг-компьютер (ИМК).

Направления фундаментальных и научно-практических исследований ГрИМ: 1. Электроэнцефалографические (ЭЭГ) маркеры неблагоприятных функциональных состояний мозга человека 2. Новые алгоритмы и методы анализа ЭЭГ на основе ее сегментации 3. Механизмы измененных состояний сознания 4. Активация внутренних резервов психики в аутогенных состояниях 5. Адаптогенные фармакологические средства коррекции неблагоприятных состояний 6. Интеллектуальный интерфейс «мозг-компьютер» (интеллектуальный мозгокомпьютерный интерфейс) 7. Неосознаваемое оперантное обусловливание ЭЭГ 8. Объективная диагностика нарушений деятельности мозга при некоторых психопатологиях 9. Эвристические количественные оценки ЭЭГ 10. Выделение и анализ компонентов ЭЭГ 11. Новые показатели вариативности ритма сердца 12. Тесты для оценки адаптации детей к учебе в школе 13. Физиотерапевтическое применение неосознаваемого управления цветом посредством ЭЭГ   Применение разработанных группой подходов, методов и программ в других лабораториях: Evgeniy Verevkin, Dmitriy Putilov, Olga Donskaya, Arcady Putilov. A new SWPAQ's scale predicts the effects of sleep deprivation on the segmental structure of alpha waves. Biological Rhythm Research. 2008;39(1):21-37. [ informaworld ] D.A.Putilov, E.G.Verevkin, O.G.Donskaya and A.A.Putilov. Segmental structure of alpha waves in sleep-deprived subjects. Somnologie - Schlafforschung und Schlafmedizin. 2007;11(3):202-210. [ SpringerLink ]   См. также: Papers • Publications of the Human Brain Research Group. Публикации ГрИМ (на русском и английском языках). А.Я.Каплан. "Электроэнцефалография - окно в мир психической деятельности человека". Рассказ о работах группы на сайте кафедры физиологии человека и животных. Human Brain Research Group. Английская версия сайта ГрИМ (включает более подробную информацию о сотрудниках). Интерфейс мозг-компьютер (ИМК). new! Подробнее о проектах по интерфейсу мозг-компьютер.

Пресса о наших работах по интерфейсу мозг-компьютер Никита Максимов. Игра головой. Русский Newsweek. № 46 (124). 27 нояб - 3 дек 2006 г. (А.К.: «Машинка как бы становится «новым телом» для мозга...») Антон Образцов. Мозг выдал объемную команду. Акадо, 11 апреля 2008 г. Не надо думать про пожар (интервью с Александром Капланом). Ведомости. № 46 (133). 12 декабря 2008 г. Сергей Шишкин. Шевеля мозгами. Акция, 29 апреля 2008 г. (А.К.: «Это значит: захотеть и сделать, только без применения мышечной силы. Пожалуй, вот это как раз и есть самое интересное в ИМК. Интенсивное ощущение мысленного владения ситуацией.») ТВ-5, передача "Прогресс" 15 февраля 2009 г. - см. в сюжете "Игра головой", 23 мин 42 сек - 24 мин 27 сек, 25 мин 28 сек - 25 мин 47 сек (Flash Video 197 МБ) (А.К.: «Это то же самое, что в компьютере сделать драйвер управления каким-то внешним устройством - например, драйвер управления мышкой. Так же формируются драйверы управления под каждое движение - драйверы управления мышцами. И нужно теперь организовать формирование драйверов под внешнее устройство.»)

1. Поиск электроэнцефалографических (ЭЭГ) маркеров неблагоприятных функциональных состояний мозга человека, возникающих при напряженной умственной деятельности с повышенными затратами ресурсов оперативной памяти, внимания, мышления и эмоционально-волевых регуляций. Исследования проводятся:

• в натурных условиях, с привлечением к тестированию операторов реальных объектов, например, диспетчеров тепловых и атомных электростанций
• в лабораторных условиях, с применением компьютерных моделей операторской деятельности.

• А.Я.Каплан. Человек тревожный (Homo anxius): в поисках гармонии. Материалы 7-го Междисциплинарного симпозиума "Психофизиология стресса". Москва, 26-28 февр. 2003 г. М., 2003. С. 29-32. [ PDF ]
• А.Я.Каплан, С.В.Борисов. Динамика сегментных характеристик альфа-активности ЭЭГ человека в покое и при когнитивных нагрузках. Журнал высш. нервн. деят. 2003;53(1):22-32. [ PDF ]
• A.Fingelkurts, A.Fingelkurts, C.Krause, A.Kaplan, S.Borisov, M.Sams. Structural (operational) synchrony of EEG alpha activity during an auditory memory task. Neuroimage. 2003;20(1):529-542. [ PDF ]
• P.Landa, A.Kaplan, E.Zhukovskaya. A model for the speed of memory retrieval. Biol. Cybern. 2003;89(4):313-316. [ PDF ]

 
наверх

2. Разработка новых алгоритмов и методов анализа электрической активности головного мозга человека на основе сегментации ЭЭГ на квазистационарные фрагменты с вычислением ранее не известных количественных оценок ЭЭГ. К настоящему времени реализованы и опубликованы авторские методы:

• метод сегментации ЭЭГ на квазистационарные фрагменты (программы Verdia, SECTION01®, SCAN0.1®)
• метод адаптивной классификации спектральных паттернов (ACSPAT0.1)

Изучая сегментные особенности ЭЭГ, сотрудники ГрИМ показали существование ранее неизвестного типа взаимной согласованности в деятельности мозговых образований, которая в ЭЭГ отражении названа ими структурной синхронностью.

Для изучения структурной синхронности ЭЭГ группой предложена специальная технология и программное обеспечение JumpSyn0.1®.

• A.Fingelkurts, A.Fingelkurts, C.Krause, A.Kaplan, S.Borisov, M.Sams. Structural (operational) synchrony of EEG alpha activity during an auditory memory task. Neuroimage. 2003;20(1):529-542. [ PDF ]
• А.Я.Каплан, С.В.Борисов. Динамика сегментных характеристик альфа-активности ЭЭГ человека в покое и при когнитивных нагрузках. Журнал высш. нервн. деят. 2003;53(1):22-32. [ PDF ]
• Al.A.Fingelkurts, An.A.Fingelkurts, C.M.Krause, A.Ya.Kaplan. Systematic rules underlining spectral pattern variability: experimental results and a review of the evidence. Int. J. Neurosci. 2003;113(10):1447-1473. [ PDF ]
• Al.A.Fingelkurts, An.A.Fingelkurts, A.Ya.Kaplan. The regularities of the discrete nature of multi-variability of EEG spectral patterns. Int. J. Psychophysiol. 2003;47(1):23-41. [ PDF ]
• А.Я.Каплан, С.В.Борисов, С.Л.Шишкин, В.А.Ермолаев. Анализ сегментной структуры альфа-активности ЭЭГ человека. Российский физиол журн им. И.М.Сеченова. 2002;4:84-95. [ PDF ]
• A.Ya.Kaplan, S.L.Shishkin. Application of the change-point analysis to the investigation of the brain electrical activity. Chapter 7 in: B.E.Brodsky, B.S.Darkhovsky. Nonparametric Statistical Diagnosis: Problems and Methods. Kluwer Acad. Publ., Dordrecht. 2000. P.333-388. [ HTML ]
• А.Я.Каплан. Проблема сегментного описания электроэнцефалограммы человека. Физиология человека. 1999:25(1):125-133. [ PDF ]
• С.Л.Шишкин, А.Я.Каплан. Некоторые топографические закономерности синхронности сдвигов мощности альфа-активности в ЭЭГ человека. Физиология человека. 1999;25(6):5-14. [ HTML ] [ PDF ]
• А.Я.Каплан. Нестационарность ЭЭГ: методологический и экспериментальный анализ. Успехи физиологических наук. 1998;29(3):35-55. [ PDF ]

 
наверх

3. Изучение нейрофизиологических механизмов измененных состояний сознания, возникающих:

• при некоторых внешних воздействиях на человека:
  - кислородная недостаточность
  - фармакологические нагрузки
  - гипноз
• на фоне определенных внутренних состояний:
  - сон
  - сновидения

В частности, в психиатрической клинике г. Майнца (Германия) проф. Капланом совместно с немецкими учеными J. Roeschke и J.Fell были получены новые данные относительно микро- и макроструктурной организации ЭЭГ испытуемых во время ночного сна.

• A.Kaplan, J.Roeschke, B.Darkhovsky, J.Fell. Macrostructural EEG characterization based on nonparametric change-point segmentation: application to sleep analysis. J. Neurosci Methods. 2001;106(1):81-90. [ PDF ]

 
наверх

4. Изучение нейрофизиологических механизмов активации внутренних резервов психики на фоне аутогенных состояний:

• медитация
• аутотренинг
• биологическая обратная связь

Совместно с проф. G.C.Ray (Indian Institute of Tecnology) проф. А.Я.Каплан выполнил несколько исследований, посвященных изучению ЭЭГ на фоне медитативных состояний. Эти исследования проводились в Индии непоредственно в ашрамах, где в качестве испытуемых выступали потомственные индийские йоги.

В сотрудничестве с учеными из Новосибирска (руководитель - академик РАМН М.Б.Штарк) в ГрИМ начаты исследования мозговых механизмов, отвечающих за способность человека к регуляции своих собственных функциональных состояний как естественным путем (например, с помощью техник ауторегуляции), так и с помощью биотехнической обратной связи.

• Е.В.Лобусов, Ал.А.Фингелькурц, Ан.А.Фингелькурц, А.Я.Каплан. Электроэнцефалографический анализ состояний глубокой релаксации, индуцируемых практикой ци гун. Вестн. Моск. ун-та. Сер.16: Биология. 2001. [ PDF ]
• А.Я.Каплан. Вариабельность ритма сердца и характер обратной связи по результату операторской деятельности у человека. Журнал высшей нервной деятельности. 1999;48(6):345-350. [ PDF ]

 
наверх

5. Разработка адаптогенных фармакологических средств коррекции неблагоприятных функциональных состояний мозга, связанных с нервно-психическими перегрузками.

В частности, под руководством академика И.П.Ашмарина и совместно с другими коллегами разработан лекарственный препарат семакс, который в настоящее время широко используется в клинике для лечения функциональной и патологической (например, при инсультах) недостаточности мозга и доступен для приобретения в аптеках. За разработку этого препарата авторы были удостоены Государственной премии Правительства РФ 2001 года.

• A.Ya.Kaplan, A.G.Kochetova, V.N.Nezavibathko, T.V. Rjasina, I.P.Ashmarin. Synthethic ACTH analogue SEMAX effects on EEG and vigilance performance in human subjects. Neurosci. Res. Communication. 1996;19(2):115-123. [ PDF ]

 
наверх

6. Создание интеллектуального интерфейса «мозг-компьютер» (интеллектуального мозгокомпьютерного интерфейса - Intellectual Brain-Computer Interface, IBCI).

В настоящее время А.Я.Каплан, С.Л.Шишкин и А.Ю.Жигалов разрабатывают новые алгоритмы и технические решения для ИМК, которые позволят быстрее овладевать навыками управления компонентами собственной ЭЭГ. Такие алгоритмы могут быть положены в основу "мысленного" управления сразу несколькими параметрами внешних электронных устройств.

Пресса об этой работе:

• Никита Максимов. Игра головой. Русский Newsweek. № 46 (124). 27 нояб - 3 дек 2006 г. ("Машинка как бы становится «новым телом» для мозга...")
• Не надо думать про пожар (интервью с Александром Капланом). Ведомости. № 46 (133). 12 декабря 2008 г.
  
   
  

 
наверх

7. Изучение возможности человека изменять режимы работы корковых нейронных сетей своего головного мозга на основе неосознаваемого оперантного обусловливания паттернов ЭЭГ.

В этих исследованиях анализируются возможности мозга человека адаптироваться к управлению техническими устройствами без помощью мышечного аппарата, но посредством изменения своей ЭЭГ, параметры которой подаются на их управляющий вход.

Обычно такая адаптация требует длительного обучения, причем многие люди оказывается к ней неспособной. Однако в работе проф. А.Я.Каплана и соавторов (2005) было экспериментально доказано, что использование неосознаваемой обратной связи может резко ускорить процесс включения в контур системы человек-машина, а также сделать его доступным для большинства людей.

В этой же работе было продемонстрировано, что парадигмы биологической обратной связи (БОС) и мозгокомпьютерного интерфейса, обычно рассматриваемые как чисто технические приложения ЭЭГ, являются высокоэффективным инструментом для фундаментальных исследований неосознаваемых процессов.

• A.Ya.Kaplan, J.J.Lim, K.S.Jin, B.W.Park, J.G.Byeon, S.U.Tarasova. Unconscious operant conditioning in the paradigm of brain-computer interface based on color perception. Intern. J. Neuroscience. 2005;115:781-802. [ PDF ]

 
наверх

8. Поиск технологий и методов объективной диагностики нарушений деятельности мозга при некоторых психопатологиях, например, при шизофрении, на основе новых и традиционных количественных показателей ЭЭГ:

• идентифицированы некоторые объективные признаки ЭЭГ, наиболее вероятно сопутствующие патологии шизофренического типа у подростков (проф. А.Я.Каплан, научн. сотр., к.б.н. С.В.Борисов, совместно со специалистами из Национального центра психического здоровья (НЦПЗ РАМН) проф. А.Ф.Изнак, д.б.н. Н.Л.Горбачевская и др.)
• найдены композиции количественных признаков, которые могут служить дополнительными классификаторами при клинической диагностике подобного рода психопатологий (проф. А.Я.Каплан, к.б.н. С.В.Борисов, к.ф-м.н. В.А.Желиговский)

• С.В.Борисов, А.Я.Каплан, Н.Л.Горбачевская, И.А.Козлова. Анализ структурной синхронности ЭЭГ подростков, страдающих расстройствами шизофренического спектра. Физиология человека. 2005;31(3):1-8. [ PDF ]
• А.Я.Каплан, С.В.Борисов, В.А.Желиговский. Классификация ЭЭГ подростков по спектральным и сегментным характеристикам в норме и при расстройстве шизофренического спектра. Журнал высш. нервн. деят. 2005;55(4):450-458. [ PDF ]
• С.В.Борисов, А.Я.Каплан, Н.Л.Горбачевская, И.А.Козлова. Структурная организация альфа-активности ЭЭГ подростков, страдающих расстройствами шизофренического спектра. Журнал высш. нервн. деят. 2005;55(3):351-357. [ PDF ]

 
наверх

9. Расширение арсенала эвристических количественных оценок ЭЭГ, ориентированных на все более тонкое различение функциональных состояний мозга человека:

• фундаментальная сложность сигнала (проф. А.Я.Каплан, к.б.н. С.Л.Шишкин, аспирант ГрИМ М.Косинов, совместно с проф. Б.С.Дарховским (ИСА РАН))
• автокорреляционная изменчивость (совместно с д.ф-м.н. С.Ф.Тимашевым и Г.В.Встовским)

• Б.С.Дарховский, А.Я.Каплан, С.Л.Шишкин. Подход к оценке сложности кривых на примере электроэнцефалограммы (ЭЭГ). Автоматика и телемеханика. 2002;3:134-140. Manuscript draft: [ PDF ] Figure: [ GIF ]

 
наверх

10. Решение задач разделения ЭЭГ сигнала на составляющие его компоненты, предположительно генерируемые различными мозговыми источниками.

Этой тематике посвящены ряд завершенных и продолжающихся проектов сотрудников ГрИМ (проф. А.Я.Каплан, к.б.н. С.В.Борисов, к.б.н. С.Л.Шишкин) на базе зарубежных лабораторий совместно с финскими (Хельсинский технологический университет, проф. Э.Оя) и японскими (Институт наук о мозге РИКЕНа, проф. А.Чихоцки) коллегами.

• S.L.Shishkin, A.Ya.Kaplan, H.Bakardjian, A.Cichocki. Combining the extremities on the basis of separation: A new approach to EEG/ERP source localization. - Unveiling the Mystery of the Brain: Neurophysiological Investigation of the Brain Function. (Ed. by S. Tsuji et al.). ICS 1278, Elsevier, 2005, pp. 119-122. [ PDF ]
• S.Borisov, A.Ilin, R.Vigario, A.Kaplan. Source localization of low- and high-amplitude alpha activity: A segmental and DSS analysis. Poster presented at Human Brain Mapping 2005 conference. [ PPT ]

 
наверх

11. Изучение возможностей ранней экспресс-диагностики состояний нервно-психического напряжения у человека по вегетативным показателям.

Проф. А.Я.Капланом был разработаны:

• индекс симпато-адреналового тонуса (САТ)
• новый метод и устройство для диагностики состояний нервно-психического напряжения у человека

САТ явлется аналогом известного индекса напряжения Баевского, но обладает более высокой чувствительностью. Недавно разработанный метод диагностики состояний нервно-психического напряжения у человека основан на измерении времени распространения пульсовой волны от сердца к конечностям (патент РФ на изобретение №2262887).

• А.Я.Каплан. Вариабельность ритма сердца и характер обратной связи по результату операторской деятельности у человека. Журнал высшей нервной деятельности. 1999;48(6):345-350. [ PDF ]

 
наверх

12. Разработка пакета психофизиологических методов экспресс-тестирования младших школьников для оценки их функциональной адаптации к условиям обучения в школе.

Работа проводится в рамках эксперимента Департамента образования г. Москвы научным руководителем проекта проф. А.Я.Капланом совместно с аспиранткой ГрИМ С.Ю.Тарасовой, штатными школьными психологами и сотрудниками Московского государственного социального университета (МГСУ), доцентом Н.Н.Ямщиковой и др.

 
наверх

13. Изучение возможностей применения в физиотерапевтической практике открытого в лаборатории эффекта неосознаваемого управления цветом (RGB кодом) компьютерного монитора посредством ЭЭГ (Kaplan et al., 2005).

В частности, предполагается, что эффективность используемой в физиотерапии и психотерапии цветостимуляции может быть существенно улучшена, если цветовая гамма стимуляции будет подбираться с помощью разработанного ранее А.Я.Капланом варианта интерфейса мозг-компьютер (см. п. 7).

• A.Ya.Kaplan, J.J.Lim, K.S.Jin, B.W.Park, J.G.Byeon, S.U.Tarasova. Unconscious operant conditioning in the paradigm of brain-computer interface based on color perception. Intern. J. Neuroscience. 2005;115:781-802. [ PDF ]

 
наверх