Магнитная энцефалография (МЭГ) - быстро развивающаяся в последнее время область экспериментального изучения функциональных областей мозга. Сложности использования этих подходов до последнего времени были связаны со слабостью как спонтанных, так и вызванных магнитных полей, возбуждаемых токовыми источниками в мозге. Соответственно очень высокие требования предъявлялись к измерительной аппаратуре. Магнитное поле в сравнении с электрическим испытывает значительно меньшие искажения на внутричерепных неоднородностях и покрывающих тканях, что существенно повышает точность локализации источников и снижает требования к знанию структуры внутричерепной среды. Используемые в настоящей работе данные получены с помощью 148-канального измерительного стенда со сверхпроводящими индуктивными катушками (СКВИДами) в Медицинской школе Нью-Йоркского университета.
Основной целью работы является локализация источников патологического сигнала, связанного с рядом распространенных заболеваний (болезни Паркинсона и ее разновидностей). Измеряемый сигнал представляет собой пространственно-временную структуру: 148-мерный вектор измерений в 148 точках на поверхности головы, развернутый во временной ряд с частотой опроса датчиков 500 Гц. Вся работа по анализу получаемого сигнала может быть разбита на следующие этапы:
- Выделение полезного сигнала, связанного с конкретным видом деятельности мозга
(например, сигнала, вызванного подачей периодического стимула - слухового, визуального,
осязательного и т.д.; сигнала, связанного с генерацией тремора или слуховых галлюцинаций
при паркинсонизме). - Выбор моментов времени для решения обратной задачи локализации токовых источников по
пространственной картине поля на поверхности головы в эти моменты времени. - Решение обратной задачи локализации источников как при наличии патологии, так и в случае
нормальной активности. Прямой учет физиологических ограничений, получаемых с помощью
ЯМР-томографии.
Здесь представлен демонстрационный ролик, иллюстрирующий работу интегрированной системы анализа пространственно-временной активности мозга, разработанную в Институте математических проблем биологии РАН. Показан эксперимент, связанный со слуховой стимуляцией здорового пациента сигналом частотой 7 Гц. Известно, что при этом возбуждаются области в слуховой коре, расположенные в височных частях мозга. Области возбуждения являются достаточно компактными, в силу чего источники могут моделироваться токовыми диполями. Так как каждому уху соответствует своя область возбуждения, получаем ситуацию с двумя токовыми диполями.
Решение обратной задачи представлено для каждого момента времени в виде двух токовых диполей с переменными моментами, основную часть времени находящихся в слуховой коре. Изредка источники, оптимально приближающие поле на поверхности головы, попадают в более глубокие области мозга и связаны, по-видимому, с таламической активностью.
Представлены три взаимно перпендикулярных сечения ЯМР-томограммы, проходящие через один из источников. В четвертом окне представлено сечение перпендикулярное радиусу-вектору того же источника. Кружками в тех же окнах показаны местоположения диполей, а цветом - величина их моментов, меняющаяся от максимального (белый кружок) до нулевого (черный кружок). Отрезок, выходящий из кружка, указывает направление момента диполя.
В правой части кадра представлено распределение величины магнитной индукции на поверхности головы в пределах измерительного шлема. Разным цветом показаны различные величины поля, при этом положительные значения потока магнитной индукции (силовые линии выходят наружу) и отрицательные значения соответствуют красным и синим частям спектра. На левом кадре - экспериментальные данные, на правом - рассчитанное поле от полученных двух источников.
Распараллеливание вычислительных процедур осуществляется по каналам (от нескольких параллельных процессов до 128), при этом отбираются наиболее информативные каналы. Вычислительная сложность задачи связана с большими объемами данных (один эксперимент - около 350 МБ) и сложностью реализации оптимизационной процедуры в многомерном пространстве параметров). Использование мощных параллельных ЭВМ является единственно возможным для решения обратных задач с распределенным трехмерным источником.
Ролик демонстрировался на ежегодной промышленной ярмарке Hannover Messe-2001 (23-28 апреля 2001 г., г.Ганновер, ФРГ); в каталоге ярмарки раздел IT/Software, подразделы: "Complete solutions for continuous computer simulation/ process simulation/ computational fluid dynamics" и "Complete solutions for discrete computer simulation". Ряд расчетов выполнен в Межведомственном суперкомпьютерном центре и Объединенном центре биоинформатики.