Особливості формування ефективних нейрональних мереж кори головного мозку людини за умов сприйняття емоціогенних візуальних стимулів

Дисертаційна робота є комплексним дослідженням фундаментальних та прикладних проблем, пов’язаних із нейрофізіологічними механізмами сприйняття зорових емоціогенних стимулів на прикладі людських облич у представників чоловічої та жіночої статей. Окремо в роботі увага приділяється питанню уразливості даних механізмів до тривалого впливу стресогенних чинників.
Актуальність даного дослідження обумовлюється низкою причин, зокрема наявністю двох конкуруючих гіпотез на пояснення принципу функціонування механізму сприйняття обличчя – концепцій холістичної обробки та сприйняття за окремими ознаками. Також наразі не існує досліджень, які б ґрунтовно оцінювали динаміку зміни психоемоційного стану цивільного населення в умовах тривалого воєнного конфлікту. Окрім цього, дана робота є актуальною з точки зору розробки та апробації нових методик аналізу біологічних сигналів. Зокрема, для характеристики довгострокових кореляцій в часі у багатовимірному наборі даних, яким за фізичними параметрами є електроенцефалограма, було застосовано алгоритм ненаправленого ковзного середнього.
Необхідно зазначити, що дослідження відкриває перспективи подальшої розробки інтерфейсів мозок-комп’ютер, що можуть реалізовуватись в програмах нейрофідбек-терапії, а також для тренування штучних нейромереж конволюційного типу з метою розробки діагностичних систем на основі дослідження динаміки викликаної електричної активності кори великих півкуль головного мозку людини в основних частотних діапазонах.
Метою роботи було з’ясування особливостей нейрофізіологічних механізмів, відповідальних за сприйняття емоціогенних візуальних стимулів різної валентності на прикладі зображень людських облич – як природних, так і штучно видозмінених - на основі утворених ефективних нейрональних мереж у період до початку та під час повномасштабної військової агресії російської федерації.
У вступі до дисертаційної роботи визначено мету та завдання даного дослідження, обґрунтовано актуальність обраної теми, охарактеризовано предмет та об’єкт дослідження, перелічено методи, які використовувались для досягнення мети роботи. Окрім цього, у даному розділі роботи окреслено аспекти дослідження, що визначають його наукову новизну, а також зазначено основні результати роботи та перспективні напрямки їх практичного використання. Наведено дані щодо апробації результатів, отриманих в ході роботи, та виділено особистий внесок здобувача у представлених наукових працях.
Перший розділ роботи містить огляд актуального наукового доробку, присвяченого тематиці дослідження. Так, у ньому розглянуто принципи організації взаємозв’язків ділянок кори та підкіркових структур, що можуть бути залученими до сприйняття емоційного обличчя. Означено два конкуруючі концептуальні підходи до характеристики перебігу процесу зчитування людського обличчя, а саме холістичний та за окремими ознаками, та сукупність свідчень на користь кожного з них. Наведено особливості просторово-часового перебігу процесу обробки зображення обличчя, визначені з використанням методу потенціалів, пов’язаних з подією. Розглянуто основи фрактальної організації електричної активності головного мозку, а також принципи оцінки когнітивно-емоційного функціонування головного мозку людини на основі визначення співвідношень різних діапазонів електричної активності. Зрештою, описано наслідки хронічного впливу стресогенних факторів з точки зору нейрофізіологічних механізмів.
Другий розділ містить основні відомості про організацію експериментальної парадигми, стимуляційні програми, структуру вибірки та основні етапи попередньої обробки даних, проведення розрахунків. Оскільки основним методом, використаним в даній роботі, була електроенцефалографія (ЕЕГ), у даному розділі описано основні характеристики та математичний апарат алгоритмів, що були застосовані для аналізу отриманих даних, а саме потенціалів, пов’язаних з подією; методу ненаправленого ковзного середнього; методу оцінки співвідношень основних діапазонів електричної активності головного мозку на основі розрахунку глобальної потужності поля. Використання такого набору методів було направлене на всебічну оцінку функціонування кори головного мозку на основі різноманітних фізичних параметрів. Зокрема, когнітивні потенціали, пов’язані з подією, були розраховані з метою відображення просторово-часових характеристик перебігу процесу аналізу візуальних стимулів. Алгоритм ненаправленого ковзного середнього застосовувався для визначення міри комплексності і характеристик поведінки коливального процесу в різних піддіапазонах електричної активності з різним ступенем прогностичності. Окрім цього, було проведено порівняння динамічних характеристик базових співвідношень діапазонів сигналу з метою визначення домінуючих когнітивних процесів та формування уявлення про потенційні корекційні методики.
У третьому розділі наведено основні результати, отримані із використанням методу потенціалів, пов’язаних з подією (ППП). Відмічалось, що порівняння даних, отриманих до та під час повномасштабного вторгнення виявило більшу вираженість відмінностей для стимуляційних серій, що включали зображення розмитих облич, порівняно із перемішаними стимулами. При пред’явленні стимуляційних серій із зображеннями розмитих облич в обох групах можна було спостерігати значущі відмінності у трьох основних часових проміжках епохи аналізу, що відображає запуск роботи механізмів, пов’язаних із суттєвою когнітивною обробкою стимульного матеріалу. Водночас, для зображень перемішаних облич подібних ефектів не спостерігалося - навпаки, ефекти комбінацій такого типу стимулів відображались переважно у змінах ранніх компонентів кривої, що пов’язані із швидким мимовільним позасвідомим реагуванням. Можна припустити, що дане явище ще раз свідчить на користь холістичної концепції сприйняття обличчя. Окрім цього, було виявлено гендерні відмінності в стратегіях сприйняття обличчя, а саме значущо більшу реактивність жінок до негативних стимулів; значущо більшу вираженість процесів, пов’язаних із розлогою когнітивною обробкою емоційного вмісту представлених зображень (регуляція роботи систем уваги, пам’яті), характерну для групи жінок.
У четвертому розділі представлено результати дослідження, виконаного із застосуванням алгоритму ненаправленого ковзного середнього (НКС). Отримані теплові карти підкреслюють збереження рівня комплексності динаміки біоелектричної активності кори головного мозку під час сприйняття емоціогенних візуальних стимулів. Як і у випадку із аналізом потенціалів, пов’язаних із подією, можна відмітити більший рівень когнітивно-емоційного залучення при сприйнятті розмитих облич порівняно із перемішаними, незалежно від періоду отримання даних, в обох експериментальних групах. При проведенні внутрішньогрупового порівняння між станами до початку та під час повномасштабного вторгнення можна було спостерігати залучення більшої кількості ресурсів для регуляції різних типів уваги та пам’яті, нестійкість процесів низхідної регуляції когнітивної діяльності та утруднення інтеграції вхідної інформації в стані під час повномасштабного вторгнення, що може підкреслювати ефекти постійної дії травмівних факторів.
Вміст п’ятого розділу роботи становлять результати застосування методу глобального потенціалу поля для розрахунку розвитку в часі основних співвідношень діапазонів електричної активності – α/θ, α/β, θ/β – які розглядаються як маркери домінуючих процесів у функціональній активності головного мозку людини. При проведенні дослідження було встановлено, що основні відмінності спостерігались в значеннях θ/β коефіцієнту, що підтверджує його значущість у відображенні рівня залученості та направленої уваги, а також задіяності когнітивного ресурсу в процесі виконання поточної діяльності. Отримані для даного методу результати цілком співвідносились із динамікою, відображеною в кривих потенціалів, пов’язаних з подією. Так, суттєве падіння рівня залученості спостерігалось переважно у пізніх часових проміжках від моменту подачі стимулу. Окрім цього, відмінності були виявлені для чоловічої та жіночої груп. Так, чоловічій групі притаманним було підтримання рівня уваги при перегляді стимуляційних серій із позитивними та нейтральними обличчями. В той же час, жіноча група характеризувалась не тільки більш вираженим падінням контролю уваги, а і зменшенням селективності реакції на представлені стимули. Отримані результати можуть сформувати основу для підбору релевантних терапевтичних нейрофідбек-протоколів.
Наукова новизна отриманих результатів визначається наступним:
1)
Вперше було проведено глибинний аналіз показників електричної активності кори великих півкуль головного мозку людини в умовах хронічного перебування повномасштабного вторгнення рф з використанням арсеналу сучасних методів дослідження.
2)
Вперше було проведено всебічну комплексну оцінку нейрофізіологічних механізмів сприйняття людського обличчя із поєднанням методів когнітивних потенціалів, пов’язаних з подією, мультифрактальних підходів та алгоритму оцінки динамічних змін співвідношень коливань у основних діапазонах електричної активності з використанням методу глобальної потужності поля.
3)
В результаті проведеного дослідження вперше було вивчено, як тривала дія травмівних факторів рівноцінно впливає на організацію функціонування нейрональних мереж уваги, пам’яті та емоційної регуляції у представників обох статей, що відображається у змінах амплітудно-часових характеристик когнітивних потенціалів, пов’язаних з подією (і); падінні рівня організації та прогностичності біоелектричного сигналу (іі); динаміці зміни співвідношення в α-, θ- і β- діапазонах біоелектричної активності (iiiiii).
4)
Вперше було продемонстровано прогностичні властивості методу ненаправленого ковзного середнього у поєднанні з результатами, отриманими із використанням класичних методів аналізу електроенцефалограми.
Результатом роботи є комплексна оцінка просторово-часових характеристик перебігу процесу сприйняття емоціогенних візуальних стимулів на прикладі людських облич у представників чоловічої та жіночої статей. Базуючись на отриманих даних, визначено домінування холістичної концепції в основі даного нейрофізіологічного процесу. Окрім цього, проведено аналіз динаміки зміни сприйняття обличчя в умовах хронічної дії стресогенних факторів та вітальної загрози, а також визначено основні параметри для розробки реабілітаційних методик на основі показників електричної активності головного мозку.
Матеріали за результатами виконання досліджень опубліковано в 4 наукових працях (одна стаття у закордонному фаховому періодичному виданні, що входить до міжнародних наукометричних баз Scopus та Web of Science, та три статті у вітчизняних фахових виданнях). Виконано апробацію результатів в рамках наукових конференцій з опублікуванням трьох тез доповіді.

Ключові слова: електроенцефалографія; біоелектрична активність; нейрофізіологія; емоції; обличчя; потенціали, пов’язані з подією; метод ненаправленого ковзного середнього (НКС); коефіцієнти α/θ, α/β, θ/β; нейрофідбек; функціональна зв’язаність; статеві відмінності; рівень стресу;

The dissertation is a comprehensive study of fundamental and applied problems related to the neurophysiological mechanisms of perception of visual emotional stimuli using the example of human faces in male and female representatives. Separately, the work pays attention to the issue of the vulnerability of these mechanisms to the long-term influence of stressogenic factors.
The relevance of this study is determined by several reasons, in particular, the presence of two competing hypotheses to explain the face perception mechanism functioning - the concepts of holistic processing and perception by individual features. Also, currently, there are no studies that would thoroughly evaluate the dynamics of changes in the psycho-emotional state of the civilian population in the conditions of a long military conflict.
In addition, this work is relevant from the point of view of the development and testing of new techniques for the biological signal analysis. In particular, to characterize long-term correlations in time in a multidimensional data set, which is an electroencephalogram, an undirected moving average algorithm was used. Also, the research opens up prospects for the further development of brain-computer interfaces that can be implemented in neurofeedback therapy programs, as well as for artificial neural networks of the convolutional type training to develop diagnostic systems based on the study of the dynamics of the evoked cortical electrical activity of the human brain in the main frequency ranges.
The work aimed to find out the features of the neurophysiological mechanisms responsible for the perception of emotional visual stimuli of different valence using the example of images of human faces, both natural and artificially modified based on the effective neuronal networks formed in the period before and during the full-scale military aggression of the Russian Federation.
In the introduction to the dissertation work, the purpose and tasks of this research are determined, the relevance of the chosen topic is substantiated, the subject and object of the research are characterized, and the methods used to achieve the goal of the work are listed. In addition, this section of the work outlines the aspects of the research that determine its scientific novelty, as well as the main results of the work and promising directions for their practical use. The data on the approval of the results obtained during the work are presented, and the personal contribution of the recipient in the presented scientific works is highlighted.
The first section of the work contains an overview of current scientific work devoted to the topic of the study. Thus, it considers the principles of the organization of interrelationships within areas of the cortex and subcortical structures that may be involved in the perception of an emotional face image. Two competing conceptual approaches to the characterization of the process of reading the human face are identified namely holistic and individual features, and a set of evidence in favor of each of them. Features of the spatio-temporal course of the face image processing process, determined using the method of event-related potentials, are presented. The fundamentals of the fractal organization of the electrical activity of the brain, as well as the principles of assessing the cognitive-emotional functioning of the human brain based on determining the ratios of different ranges of electrical activity, are considered. Finally, the consequences of chronic exposure to stressogenic factors are described from the point of view of neurophysiological mechanisms.
The second section contains basic information about the organization of the experimental paradigm, stimulation programs, sample structure, and the main stages of data preprocessing and calculations. Since the main method used in this work was electroencephalography (EEG), this section describes the main characteristics and mathematical apparatus of the algorithms that were used to analyze the obtained data, namely event-related potentials; undirected moving average method; method of estimating the ratios of the main ranges of electrical activity of the brain based on the calculation of the global field strength. The use of such a set of methods was aimed at a comprehensive assessment of the functioning of the cerebral cortex based on various physical parameters. In particular, event-related cognitive potentials were calculated to reflect the spatio-temporal characteristics of the process of analyzing visual stimuli. The algorithm of the non-directional moving average was used to determine the degree of complexity and characteristics of the behavior of the oscillatory process in different sub-ranges of electrical activity with different degrees of predictability. In addition, a comparison of the dynamic characteristics of the basic ratios of the signal ranges was carried out to determine the dominant cognitive processes and form an idea about potential correction methods.
The third section presents the main results obtained using the event-related potential (ERP) method. It was noted that a comparison of data obtained before and during the full-scale invasion revealed a greater degree of difference for the stimulus series that included images of blurred faces compared to the scrambled stimuli. When presented with a stimulation series with images of blurred faces in both groups, significant differences could be observed in the three main time intervals of the analysis epoch, reflecting the activation of mechanisms associated with significant cognitive processing of the stimulus material. At the same time, similar effects were not observed for images of mixed faces, on the contrary, the effects of combinations of this type of stimuli were mainly reflected in changes in the early components of the curve, which are associated with fast involuntary non-conscious responding. It can be assumed that this phenomenon once again testifies in favor of the holistic concept of face perception. In addition, gender differences in face perception strategies were found, namely, significantly greater reactivity of women to negative stimuli; and significantly greater expressiveness of the processes associated with extensive cognitive processing of the emotional content of the presented images (regulation of the attention and memory systems), characteristic of the group of women.
The fourth chapter presents the results of the study performed using the detrended moving average (DMA) algorithm. The obtained heat maps emphasize the preservation of the level of complexity of the dynamics of the bioelectric activity of the cerebral cortex during the perception of emotional visual stimuli. As with the analysis of event-related potentials, a higher level of cognitive-emotional involvement can be noted when perceiving blurred faces compared to scrambled faces, regardless of the period of data acquisition, in both experimental groups. When conducting an intragroup comparison between the states before the beginning and during the full-scale invasion, it was possible to observe the involvement of more resources for the regulation of different types of attention and memory, the instability of the processes of the down-regulation of cognitive activity, and the difficulty of integrating the input information in the state during the full-scale invasion, which can emphasize the effects of constant action of traumatic factors.
The content of the fifth section of the work is the results of the application of the global field potential method for calculating the development over time of the main ratios of the electrical activity ranges α/θ, α/β, θ/β, which are considered markers of dominant processes in the functional activity of the human brain. When conducting the research, it was established that the main differences were observed in the values of the θ/β coefficient, which confirms its significance in reflecting the level of involvement and directed attention, as well as the use of cognitive resources in the process of performing the current activity. The results obtained from this method were fully correlated with the dynamics reflected in the potential curves associated with the event. Thus, a significant drop in the level of involvement was observed mainly in the late time spans from the moment of the stimulus. In addition, differences were found for male and female groups. Thus, the male group was characterized by maintaining the level of attention when viewing stimulus series with positive and neutral faces. At the same time, the female group was characterized not only by a more pronounced drop in attention control but also by a decrease in the selectivity of the response to the presented stimuli. The obtained results can form the basis for the selection of relevant therapeutic neurofeedback protocols.
The scientific novelty of the obtained results is defined as follows:
1) For the first time, an in-depth analysis of the cerebral hemisphere electrical activity indicators of the human brain under conditions of chronic exposure to full-scale invasion of the Russian Federation using an arsenal of modern research methods was carried out.
2) For the first time, a comprehensive assessment of the neurophysiological mechanisms of human face perception was carried out with a combination of event-related cognitive potential methods, multifractal approaches and an algorithm for evaluating dynamic changes in oscillation ratios in the main ranges of electrical activity using the global field strength method.
3) As a result of the conducted research, it was studied for the first time how long-term exposure to traumatic factors equally affects the organization of the functioning of neuronal networks of attention, memory and emotional regulation in representatives of both sexes, which is reflected in changes in the amplitude-time characteristics of cognitive potentials associated with event (i); decrease in the level of organization and predictability of the bioelectrical signal (ii); the dynamics of changes in the ratio in the α-, θ- and β- ranges of bioelectric activity (iii).
4) For the first time, the prognostic properties of the undirected moving average method were demonstrated in combination with the results obtained using classical methods of electroencephalogram analysis. Based on the obtained data, an assumption is made about the prevailing significance of the holistic concept of this neurophysiological process. In addition, an analysis of the dynamical alterations in face perception under the conditions of chronic exposure to stressogenic factors and vital threats was carried out, as well as the main parameters for the development of rehabilitation techniques based on indicators of electrical activity of the brain were determined.
Materials based on the results of the research were published in 4 scientific works (one article in a foreign special periodical, included in the international databases Scopus and Web of Science, and three articles in domestic scientific periodicals). Approbation of the results was carried out within the framework of scientific conferences with the publication of three theses.

Keywords: electroencephalography; neurophysiology; bioelectrical activity$ emotions; face; event-related potentials; the detrended moving average method (DMA); ratios α/θ, α/β, θ/β; neurofeedback; functional connectivity; gender differences;stress level;

Черних М. Є. Особливості формування ефективних нейрональних мереж кори головного мозку людини за умов сприйняття емоціогенних візуальних стимулів : дис. ... д-ра філос. : 091 Біологія / Черних Марія Єгорівна. - Київ, 2024. - 256 с.