МАТРИЦА ЛОКУСОВ УМСТВЕННЫХ ФУНКЦИЙ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ МОЗГА ПО НЕЙРОВИЗУАЛИЗАЦИИ фМРТ Текст научной статьи по специальности «Прочие медицинские науки»

МАТРИЦА ЛОКУСОВ УМСТВЕННЫХ ФУНКЦИЙ В ТРЕХМЕРНОМ ПРОСТРАНСТВЕ МОЗГА ПО НЕЙРОВИЗУАЛИЗАЦИИ фМРТ

Еремин А.Л., Рейес Монкада А.

ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», г. Краснодар

Аннотация

С развитием в XXI веке ядерной медицины и нейровизуализации с помощью фМРТ стало возможным познание ансамблей нейронов, образующих структурно-функциональные единицы - корреляты умственных функций. При огромном количестве появившихся фактов по многокомпонентности структуры мозга и умственной многофункциональности назрела необходимость как сжатия информации, так и новый уровень систематизации по общепринятым классификаторам, системам координат и параметрам. Разработан алгоритм систематизации: «функция в эксперименте ^ поиск соответствия умственной функции по МКФ (I уровень) ^ МКФ (II уровень)». Предложена модель табличной матрицы, где могли бы аккумулироваться данные метаанализа фМРТ по умственным функциям, координатам локусов в трехмерной структуре мозга.

Ключевые слова: фМРТ, ядерная медицина, нейровизуализация, интеллектуальная система, умственные функции.

Нейровизуализация и ядерная медицина структуры-функции мозга. Ноогенез - появление и эволюция интеллектуальных систем [1]. Новые методы мультинейронной регистрации показали, развертку ансамблей нейронов, которые могут образовывать физиологические единицы и генерировать возникающие функциональные свойства и состояния в нейронной гиперсети мозга, как состоящей из нейронных групп со специфическими умственными функциями. С появлением ядерной медицины и МРТ (Нобелев-

84

ская премия, 2003), появилось огромное количество публикаций по результатам функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) о локализации множества разных функций. Между тем, общепризнанные формулировки понятий изложены в принятой Всемирной организации здравоохранения Международной классификации функционирования (МКФ ВОЗ) [2] -интеллектуальные функции (код b117), умственные функции (b110-b139, b140-189). Можно констатировать что проблематика квантования структурно-функциональных единиц интеллекта и их визуализации - развивается. Сложность систематизации большого количества данных в едином формате заключается в применении разными авторами различных систем координат в трехмерном пространстве головного мозга, а также в соотнесении экспериментально регистрируемых умственных функций с общепринятой классификацией.

Была поставлена цель: на основании метаанализа современных данных разработать алгоритм и модель табличной матрицы специализированных локусов верифицированных умственных функций, регистрируемых по данным фМРТ.

Методология метаанализа, стандартизации и алгоритм составления матрицы классификации. Метаанализ - предпринята методология для интеграции данных по проблеме, структуризации количественнокачественных показателей и синтетической систематизации информации, полученной в ходе различных диагностических исследований.

Стандартизация функций. По функциям, описанные экспериментальные данные, «привязывались» к понятиям и кодам, обозначенным в МКФ ВОЗ (ICF, 2001).

Координаты локусов - для систематизации опубликованных данных необходимо было предпринять их стандартизацию по локализации и месторасположению в трёхмерной структуре мозга, данные по мере возможностей

85

сопоставлялись с тремя системами координат общепринятых: - в анатомии, в том числе топографической, - анатомическая структура головного мозга, представляется в реальных препаратах, визуализируется и описывается в атласах, моделях и муляжах, по срезам, топографии, сферам, долям, областям, извилинам и пр.; - в гистологии, - цитоархитектонические поля Бродма-на, определяемые гистологической структурой и организацией нейронов областей коры головного мозга человека; - в нейрохирургии, медицинской визуализации, - координаты Талайраха, пространство Талайраха, - трехмерная система координат, которая используется для отображения местоположения структур мозга независимо от индивидуальных различий в размере и общей форме разных пациентов. Координаты Талайраха используются в исследованиях функциональной визуализации мозга, для целенаправленной транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС) областей мозга, в стереотаксической хирургии.

Алгоритм - после проведенного метаанализа по ключевым данным «умственная функция в экспериментальном исследовании - локализация в трехмерном пространстве головного мозга по данным фМРТ», последовательность действий при систематизации осуществлялась по алгоритму: «функция в эксперименте ^ поиск соответствия умственной функции по МКФ (I уровень, код) ^ поиск соответствия по МКФ (II уровень, код).

Табличная матрица данных по локализации в трехмерном пространстве мозга специализированных функций. После сбора выборочных данных была предпринята попытка сведения их в единую табличную матрицу (Табл. 1.). Для критического анализа и наглядности, оценки корректности и понятности соответствия при систематизации, в таблице приведены формулировки тех умственных функций по классификации МКФ I, II уровня, которым могли соответствовать демонстрируемые функции в конкретных экспериментальных исследованиях.

Таблица 1. Матрица локализации в трехмерном пространстве мозга (по фМРТ) умственных функций (по МКФ)

ФУНКЦИИ по Международной классификации функционирования (МКФ) Особенности в опытах с фМРТ, по функции, деятельности, здоровью МЕСТОРАСПОЛОЖЕНИЕ В ГОЛОВНОМ МОЗГЕ Источник

Названия функций (I уровень, код МКФ) Определение понятия функции по МКФ II уровень классификации МКФ, код МКФ, определения

Поля Брод- манн Стереотаксические координаты Та-лайрах Анатомические структуры головного мозга координатах указаны с использованием R (Правый), L (Левый)

X Y Z

Интеллек- туальные, Intellectual (b118) Интеллектуальные функции. Общие умственные функции, требующиеся, чтобы понимать и конструктивно объединять различные умственные функ- Социальный интеллект - общие правила 13 34 18 4 R островковая доля СО

32 -4 10 46 L медиальная лобная извилина

32 4 20 38 R поясная извилина

32 4 22 28 R поясная извилина

13 -30 20 8 L островок

- -30 14 -2 L ограда (claustrum)

13 -34 14 0 L островок

10 36 40 20 R средняя лобная извилина

9 34 26 32 R средняя лобная извилина

9 8 52 24 R верхняя лобная извилина

Социальный ин- 10 -4 50 -2 L передняя поясная извилина

ции, включая все познавательные функции и их развитие на протяжении жизни. теллект соц. нормы 10 10 48 6 R средняя лобная извилина

Социальный интеллект - нарушение нормы 13 34 18 4 R островковая доля

32 6 18 38 R поясная извилина

6 -4 10 48 L верхняя лобная извилина

32 4 22 28 R поясная извилина

9 -6 28 30 L поясная извилина

Ь3 -30 20 8 L островок

- -30 14 -2 L ограда (claustrum)

9 34 26 32 R средняя лобная извилина

10 34 42 22 R средняя лобная извилина

8 42 22 40 R средняя лобная извилина

9 6 52 24 R верхняя лобная извилина

Сознание, Conscience (b110) Общие умственные функции осознавания и внимания, включая ясность и непрерывность бодр- b 1100. Ясность сознания. Умственные функции, при нарушении которых развиваются помрачение сознания, ступор или кома. Бессознательное (вегетативное) состояние Дополнительная двигательная зона (SMA)

- - - - Парагиппокампальная извилина (PPA)

- - - - Задняя теменная доля (PPC)

- - - - Латеральная премоторная кора (PMC)

b1101. Непрерывность сознания -2 16 56 Пре-дополнительная двигательная зона (pre-SMA) 1п

ствующего со- Умственные функции, которые - 2 16 56

стояния поддерживают состояния - -36 2 50 Дорсальная премоторная кора

бодрствования, тревоги и осо- - 38 4 60

знания, нарушения которых Мысле-образы - 28 -28 -30 Парагиппокампальная кора

могут приводить к фугам, пространствен- - -28 -32 -28

трансу и другим подобным со- ной навигации - 14 -54 4 Ретроспленальная кора

стояниям. - -10 -58 2

- 28 -68 16 Затылочно-теменной переход

- -26 -74 26

- -20 -74 44 Предклинье

- 20 -74 44

- -18 -70 54

- 14 -68 58

- 10 4 64 Пре-дополнительная двигательная зона

- -36 -2 50 Дорсальная премоторная кора

Моторное вооб- - 38 0 50

ражение - 0 -4 64 SMA

- -66 -46 30 Нижняя теменная доля

- 54 -40 34

- 0 12 58 Пре-дополнительная двигательная зона

Мысле-образы лиц - -34 0 54 Дорсальная премоторная кора

- 34 2 42

- 46 -46 -22 Веретенообразная извилина

- 28 -50 34 Внутристеночная борозда

- 32 -70 30 Затылочная кора

- 40 34 8 Нижняя лобная кора

b1102. Качество сознания. Умственные функции, нарушения которых вызывают изменение характера бодрствования, тревожность и утрату контроля, такие как бредовые состояния или состояния, индуцированные медикаментами. Здоровые пациенты - распознавание знакомых лиц 10 1 53 4 R медиальная лобная извилина

8 -20 18 49 L верхняя лобная извилина

23 -1 -57 21 L/R задняя поясная извилина

28 24 -4 -11 R парагиппокампальная извилина

21, 39 51 -4 -13 R/L средняя височная извилина

21 46 -10 -8 R под-височной извилиной область

19 -43 -78 26 L верхняя затылочная извилина

- 15 -26 -13 R передний гребень

39 -34 -73 32 L угловая извилина

Здоровые пациенты - узнавание собственного лица 10 4 50 4 R средняя лобная извилина

24 0 33 5 L передняя поясная извилина

23 -1 -57 21 L задняя поясная извилина

31, 19 -1 -47 30 L предклинье

30,27,28, -9 -47 5 R/L парагиппокампальная извилина

Больной шизофренией -распознавание знакомых лиц

35

39 45 -68 15 R/L средняя височная извилина

38 -31 1 -11 L верхняя височная извилина

9 -6 52 25 L средняя передняя извилина

31 -7 -52 27 L поясная извилина

32 1 45 4 R передняя поясная извилина

34.30 26 -15 -14 R/L парагиппокампальная извилина

19,21,39 -34 -60 20 L/R средняя височная извилина

- 10 -26 -10 R черная субстанция

31 -1 -64 26 L предклинье

23,30 4 -57 18 R/L задняя поясная извилина

- 24 -8 -22 R крючок (Uncus)

- 15 -29 -8 R верхушка, мозжечка (Culmen)

39 42 -66 18 R средняя височная извилина

35,28 -20 -26 -13 R/L парагиппокампальная извилина

39 -37 -69 22 L Срединная височная извилина

32 1 45 4 R/L Передняя поясная извилина

0 1 53 10 R Средняя лобная извилина

Больной шизофренией - узнавание собственного лица

Мышле- ние, Thought (b 160) Специфические умственные функции, связанные с мыслительным процессом b1600. Ритм мышления. Умственные функции, управляющие скоростью процесса мышления. 2 секунды - -28 -31 -9 L парагиппокампальная извилина

Время декодирования вопроса в локусе до ответа 4 с - -46 -58 29 L надмаргинальная извилина

- -40 7 41 L средняя лобная извилина

- 55 -49 14 R верхняя височная извилина

- -46 22 23 L нижняя лобная извилина

- 55 16 23 R нижняя лобная извилина

- -1 37 35 L средняя лобная извилина

6 c - -43 13 35 L верхняя височная извилина

- -49 -34 2 L средняя лобная извилина

8 c - 19 -52 -6 L парагиппокампальная извилина

- 19 -70 -6 R веретенообразная извилина

- 28 -55 41 R задняя теменная кора

- 4 -64 8 L веретенообразная извилина

- -51 -61 50 L задняя теменная кора

Принятие решений, Decision making Осуществление выбора среди вариантов, реализация Влияние возраста на честные и не- -27 23 46 L дорсолатеральная префронтальная кора So

- -33 -43 46 L нижняя теменная извилина

- -15 -79 -24 L мозжечок

(d177) выбора и оценка последствий сделанного выбора справедливые предложения - 42 -25 52 R постцентральная извилина

- 60 -31 52 R надмаргинальная извилина

- 27 -61 -24 R затылочная извилина

- 6 -85 4 R клин извилина (cuneus)

- -36 5 -8 L передний островок

- 42 14 -5 R передний островок

Решение проблем, Solve problems (d175) Поиск ответов на вопросы или ситуации идентифицируя и анализируя их, разработка вариантов, оценка последствий и выполнение принятого решения d1751. Решение сложных проблем. Поиск решений сложной проблемы, включающей множественные аспекты или несколько взаимосвязанных проблем, идентифицируя и анализируя их, разработка решений, оценка потенциальных последствий решений и исполнение принятого решения. Прототип решения проблем обучения 37 -51 -58 1 L срединная височная извилина 57

19 48 -55 -8 R срединная затылочная извилина

Сложные межлич- Поддержание и управление d7203. Взаимодействие в соответствии с социальными нор- 1/3 -27 -39 60 L постцентральная извилина о1

4 18 -30 72 R центральная борозда

ностные взаимо- действия, Complex interpersonal interactions (d720) взаимодействия ми с людьми в соответствии с ситуацией и в социально приемлемой форме мами. Независимое поведение во взаимодействиях с людьми, отвечающее социальным нормам и в соответствии со своей ролью, положением или другим социальным статусом Сотрудничество Cooperation 11 6 51 -18 R медиальная лобная извилина

Эмоции, Emotions (b152) Специфические умственные функции, относящиеся к чувственным и аффективным компонентам мыслительных процессов b1520. Адекватность эмоций. Умственные функции, обеспечивающие соответствие чувств или аффекта ситуации, например радость при получении хороших новостей. Счастье - эмоция, распознание на лице напротив 19 42 -74 -6 Нижняя затылочная извилина [11]

18 22 -86 -8 Срединная затылочная извилина

19 38 -70 -14 R веретенообразная извилина

37 -38 -52 -14 L веретенообразная извилина

6 44 6 54 Средняя лобная извилина

4 50 -10 42 R предцентральная извилина

19 -34 -78 -12 R предцентральная извилина

9 44 18 28 Средняя лобная извилина

'- -12 0 12 Хвостатое ядро

b1522. Диапазон эмоций 19 38 -76 -8 R нижняя затылочная извилина

Умственные функции, обеспе- Гнев - - 44 -66 -18 Мозжечок

чивающие весь спектр пережи- распознание на 19 44 -76 2 R срединная затылочная извилина

ваемых аффектов и чувств, та- лице напротив 37 40 -48 -16 R веретенообразная извилина

ких как любовь, ненависть, 19 -46 -74 -10 L нижняя затылочная извилина

тревога, печаль, радость, страх 18 22 -86 -8 R нижняя затылочная извилина

и гнев. 17 16 -92 -4 R язычная извилина

21 -54 2 -24 L передний височный полюс

- -15 -21 -12 L средний мозг

21 54 5 -15 R передний височный полюс

Грусть 47 45 26 -11 R вентролатеральная префронтальная кора г7

- -24 -4 -15 L миндалина

- 3 -30 -11 R средний мозг

38 36 13 -26 R передний височный полюс

- -39 15 -1 L островок

38 -54 8 -5 L передний височный полюс

- - - - Двусторонняя миндалина

- - - - Веретенообразные извилины

- - - - Правый мозжечок

Страх - - - - L нижний отдел теменной доли СО

- - - - L нижняя лобная извилина

- - - - L нижняя лобная извилина

- - - - R медиальная лобная извилина

Отвращение 37 42 -56 -16 Веретенообразная извилина

- -32 -76 -22 Мозжечок

- -42 -62 -28 Мозжечок

19 -42 -78 -12 Веретенообразная извилина

22 58 -48 12 Верхняя височная извилина

9 -34 4 36 Предцентральная извилина

6 -42 2 38 Средний передний поворот

8 -2 20 46 Медиальная лобная извилина

47 52 30 -2 Нижний передний поворот

47 -42 22 -8 Нижний передний поворот

13 - - - Островок

- 8 -76 -22 Мозжечок

Религия и духовная практика, Religion and spirituality (d930) Включение в религиозные или духовные действия, организации и мероприятия для самореализации d9300. Традиционная религия. Включение в традиционные религиозные церемонии, действия и события. Буддийские суждения - «Я минус другой» 32 -8 39 5 L передняя поясная извилина

24 6 29 -5 R передняя поясная извилина

10 0 49 -1 Медиальная лобная извилина

8 -18 36 52 L Верхняя лобная извилина

8 -16 37 39 L Верхняя лобная извилина

9 -20 46 33 L Верхняя лобная извилина

Буддийские суждения - «Я минус 40 -38 -54 43 L Нижняя теменная доля

, поиска смысла, религиозных и духовных ценностей..., духовное созерцание мать»

Христианские суждения - самоосуждение 45,47 -48 25 1 L Левая нижняя лобная извилина

9 -10 52 36 Верхняя медиальная лобная кора

21, 37 -53 -61 17 L Левая средняя височная извилина

34 -79 -25 4 Мозжечок 1/V

Моральный суд -в католицизме 30 -3 -55 19 Предклинье (ПКК)

20 39 11 -38 Правый срединный височный полюс

10 Средняя верхняя лобная извилина

Предцентральная борозда

L Левая задняя поясная кора

Моральный суд -атеисты 7 -27 -64 64 L Левая верхняя теменная извилина

d9301. Духовная практика. Включение в духовные действия или события вне церковной практики. Мистический опыт 11 2 46 -14 R медиальная орбитофронтальная кора F2

21 49 -12 -14 R средняя височная кора

7 -32 -79 38 L нижняя теменная долька

40 36 -76 30 R нижняя теменная долька

7 26 -67 46 R верхняя теменная долька

- -6 8 3 L хвостатое

18 26 -96 0 R медиальная орбитальная кора

19 -35 -91 8 L медиальная орбитальная кора

10 -11 52 13 L медиальная орбитофронтальная кора

- 7 5 8 R хвостатое

18 2 -88 3 R латеральное коленчатое (LG)

- -3 -38 -42 Ствол мозга

13 -35 20 3 L островок

32 -1 40 7 L дорсальная передняя поясная кора

В результате метаанализа удалось охватить лишь некоторые данные для их систематизации в разработанной модели табличной матрицы. Для увеличения охвата данных целесообразно объединение усилий множества ученых с созданием единого ресурса, дальнейшая верификация данных, проверка их опытным путем.

Прикладные аспекты подхода могут быть полезны в физиологии умственного, интеллектуального труда, неврологии и психиатрии, стереотаксической хирургии, совершенствовании диагностик фМРТ, КТ, МЭГ, ПЭТ и др., методик по оптимизации интеллектуальной деятельности - транскраниальной магнитной стимуляции и пр., понимании интерфейса и информационной экологии «естественный интеллект - взаимоотношения с окружающей средой», в том числе для моделирования агентов искусственного интеллекта и пр.

Нами продемонстрирован всего лишь один из походов на длительном пути в мультидисциплинарном направлении к лучшему пониманию актуальности структурно-функциональной специализации и нейрофизиологических основ развертки интеллектуальных систем мозга. Перспективы направления могут вселять уверенность в актуальность дальнейшего развития исследований с помощью методов ядерной медицины и медицинской визуализации в области появления и эволюции интеллекта.

Выводы

Предложен алгоритм структурной-функциональной специализации данных фМРТ по стандартам определения координат локусов и классификации МКФ. Разработана модель табличной матрицы, где могут быть систематизированы данные метаанализа по умственным функциям в трехмерной структуре мозга. Данные экспериментов и опытов могут аккумулироваться в том числе для развития учения о ноогенезе - появлении и эволюции разума и интеллектуальных систем.

Библиографический список

1. Eryomin A.L. Biophysics of Evolution of Intellectual Systems. Biophysics. 2022;67:320-6.

2. ICF - International Classification of Functioning, Disability and Health. World Health Organization. Geneva: WHO, 2001.

3. Zinchenko O., Arsalidou M. Brain responses to social norms: Meta- analyses of fMRI studies. Human brain mapping. 2018;39: 955-70.

4. Owen A.M., Coleman M.R., Boly M., Davis M.H., Laureys S., Pickard J.D. Detecting awareness in the vegetative state. Science. 2006;313:1402.

5. Boly M., Coleman M.R., Davis M.H., Hampshire A., Bor D., Moonen G., Maquet P.A., Pickard J.D., Laureys S., Owen A.M. When thoughts become action: an fMRI paradigm to study volitional brain activity in non-communicative brain injured patients. Neuroimage. 2007;36:979-92.

6. Ameller A. Les troubles de la familiarite dans la schizophrenie. Lille: University du Droit et de la Sante-Lille II. 2014.

7. Yang Z., Huang Z., Gonzalez-Castillo J., Dai R., Northoff, G., Bandettini P. Using fMRI to decode true thoughts independent of intention to conceal. NeuroImage. 2014;99:80-92.

8. Harle K.M., Sanfey A.G. Social economic decision-making across the lifespan: An fMRI investigation. Neuropsychologia. 2012;50:1416-24.

9. Hao X., Cui S., Li W., Yang W., Qiu J., Zhang Q. Enhancing insight in scientific problem solving by highlighting the functional features of prototypes: An fMRI study. Brain research. 2013;1534:46-54.

10. Rilling J.K., Gutman D.A., Zeh T.R., Pagnoni G., Berns G.S., Kilts C.D. A neural basis for social cooperation. Neuron. 2002;35:395-405.

11. Franzan M.E. Activacion cerebral diferencial en la prueba de reconoci-miento de emociones faciales UNCEEF mediante la utilization de resonancia mag-netica funcional. Buenos Aires: Instituto Universitario Hospital Italiano de Buenos Aires. 2019.

12. Levesque J. Neuroanatomie fonctionnelle sous-tendant la regulation con-sciente et volontaire de la tristesse chez l'enfant et l'adulte sains. Montreal: Universite de Montreal. 2004.

13. Fusar-Poli P., Placentino A., Carletti F., Landi P., Allen P., Surguladze S., Benedetti F., Abbamonte M., Gasparotti R., Barale F., Perez J., McGuire P., Politi P Functional atlas of emotional faces processing: a voxel-based meta-analysis of 105 functional magnetic resonance imaging studies. J. Psychiatry Neuroscience. 2009;34:418-32.

14. Wu Y. Wang C., He X., Mao L, Zhang L. Religious beliefs influence neural substrates of self-reflection in Tibetans. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 2010;5:324-31.

15. Han S., Mao L., Gu X., Zhu Y., Ge J., Ma, Y. Neural consequences of religious belief on self-referential processing. Social Neuroscience, 2008;3:1-15.

16. Christensen J.F., Flexas A., de Miguel P., Cela-Conde C. J., Munar E. Roman Catholic beliefs produce characteristic neural responses to moral dilemmas. Social Cognitive and Affective Neuroscience. 2014;9:240-9.

17. Beauregard M., Paquette V. Neural correlates of a mystical experience in Carmelite nuns. Neuroscience letters. 2006;405:186-90.