Вычислительная нейровизуализация и МЭГ
научные группы
Описание
Деятельность междисциплинарной группы направлена на комплексную разработку нового поколения систем неинвазивного нейрокартирования на основе принципа магнитоэнцефалографии (МЭГ) с использованием новых высокочувствительных и носимых сенсоров магнитного поля. Исследуются применения сенсоров двух типов: атомных магнитометров с оптической накачкой и твердотельных магнитометров на основе пленок железо-иттриевого граната. Область применения технологий включает в себя диагностику нейродегенеративных заболеваний, изучение функциональной организации мозга и разработку систем высокоэффективной нейрообратной связи.
В основе работы группы такие области науки как экспериментальная и теоретическая физика, математическая физика и математическое моделирование, математическая статистика, нейробиология и нейрофизиология. Помимо разработки компонент, обеспечивающих базовую функциональность МЭГ системы создаются новые математические методы анализа многомерных МЭГ сигналов для ряда клинических и исследовательских применений.
Проекты группы
• Многоканальная магнитоэнцефалография на носимых магнитометрах
Одними из основных направлений работ группы являются разработка новых систем магнитоэнцефалографии (МЭГ) с применением инновационных высокочувствительных магнитных сенсоров: атомных магнитометров с оптической накачкой (МОН) и разработка новых методов нейровизуализации и решения обратной задачи МЭГ — локализации электрических источников в коре головного мозга. Последними достижениями группы в этой области являются мозг-компьютерный интерфейс на основе воображения движения, описанный в статье [9] и разработанный алгоритм PSIICOS, предназначенный для оценки функциональной связности вне зависимости от фазовых задержек между ритмической активностью нейрональных популяций, описанный в статье [8].
• Бесконтактная ретинография нового поколения на основе магнитометров с оптической накачкой
Популярное в офтальмологии исследование электроретинография (ЭРГ) показывает функциональное состояние сетчатки глаза. На данный момент для проведения процедуры ЭРГ используются контактные роговичные электроды, накладываемые на поверхность глаза. Эта процедура дискомфортная, болезненная и потенциально травматичная, плохо переносится чувствительными людьми и детьми. Сейчас группа работает над реализацией бесконтактной ретинографии на основе магнитометров с оптической накачкой, что поможет сделать исследование более комфортным для пациентов и офтальмологов.
• Оптимизация расположения магнитометров для записи данных активности головного мозга в различных парадигмах экспериментов
Разработка алгоритмов позиционирования малоканальных сенсорных систем (в применении к ЖИГ, МОН и СКВИД магнитометрам) в различных парадигмах активации головного мозга базируется на разработанных метриках оценки эффективности системы на основе теории информации и статистических методов обработки данных.
В частности, был разработан алгоритм RALFE (Recursively Applied LeadField Elimination) — экономичный и эффективный алгоритм для построения задачно-ориентированных малоканальных систем, сочетающих оптимальные информативность и отношение сигнала к шуму. В настоящий момент производится валидация алгоритма в реальном когнитивном эксперименте, а также подготовка к масштабированию путем построения полного инженерного пайплайна изготовления оптимизированных задачно-ориентированных МЭГ-систем.
• Разработка магнитометра нулевого поля с оптической накачкой
В рамках проекта ведется создание лабораторного прототипа магнитометра нулевого поля (SERF) с оптической накачкой ( в сотрудничестве с ФТИ им. Иоффе ). Прототип испытан в ФТИ им.Иоффе и показал чувствительность 15 фТл/√Гц. Лазерная система собрана в МЭГ-лаборатории ВШЭ (партнер LIFT), сейчас проводятся пуско-наладочные работы для повторения результата испытаний сенсора и применения сенсора в МЭГ-исследованиях.
• Магнитоэнцефалография с использованием твердотельных магнитометров на основе феррит-гранатовых пленок
Твердотельные магнитометры на основе пленок железо-иттриевого граната (YIGM) наследуют принцип работы феррозондовых магнитометров. Работая при комнатной температуре, обладая широким динамическим диапазоном и выделяя крайне невысокое количество тепла, эти сенсоры представляют собой альтернативу как для магнитометров с оптической накачкой, так и для конвенциональных SQUID-магнитометров. В настоящий момент производится разработка масштабируемого твердотельного сенсора.
• Нейроинтерфейсы с использованием магнитных наночастиц
Магнитные наночастицы позволяют усилить сигнал активности головного мозга для МЭГ-исследований, что в будущем можно будет использовать для создания двунаправленных неинвазивных нейроинтерфейсов. Сейчас в рамках этого проекта ведется разработка метода регистрации и локализации магнитных наночастиц с помощью системы магнитометров с оптической накачкой.
• Внутриутробная магнитоэнцефалография плода
В ближайшие годы планируется проект по исследованию активности головного мозга плода в ответ на стимулы (звук, свет, голос) в зависимости от гестационного возраста.
Руководитель группы
Алексей Осадчий
Доктор физико-математических наук, PhD (Electrical Engineering, University of Southern California, 2003), специалист в области обработки сигналов, нейровизуализации, алгоритмов анализа мозговой активности и нейроинтерфейсов
Участники научной группы
Николай Кошев
Заместитель руководителя научной группы
Александра Разоренова
Младший научный сотрудник
Дарья Медведева
Младший научный сотрудник
Кирилл Сабакарь
Инженер
Публикации
1. KOSHEV N.A., Kapralov P., Evstigneeva S. A., Lutsenko O., Shilina P. , Zharkov M.N., Pyataev N., Darwish A., Timin A., OSTRAS M.,Radchenko I., SUKHORUKOV G.B., Vetoshko P. Yttrium-iron garnet film magnetometer for registration of magnetic nano-and submicron particles: In vitro and in vivo studies. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2023.
2. KOSHEV N.A., Kapralov P., Evstigneeva S. A., Leontyev A., Lutsenko O., Shilina P. , Zharkov M.N., Pyataev N., Darwish A., Timin A., OSTRAS M., Radchenko I., SUKHORUKOV G.B., Vetoshko P. YIG-based sensor system for millisecond time range magnetorelaxometry. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2023.
3. Anna Rusinova, Maria Volodina, ALEXEI OSSADTCHI. Short-term meditation training alters brain activity and sympathetic responses at rest, but not during meditation. Scientific Reports, 2024, May 15;14(1):11138.
4. A. OSSADTCHI, I. Semenkov, A. Zhuravleva, O. Serikov, E. Voloshina. Representational dissimilarity component analysis (ReDisCA). NeuroImage, 2024, November 1, Volume 301, 120868.
5. Malovichko M., Yavich N.B., Razorenova A., Golubev V., KOSHEV N.A. PDE-constrained Optimization for Electroencephalographic Source Reconstruction. Lobachevskii Journal of Mathematics , 2024, October 02, Volume 45, pages 2875–2894.
6. Alexandra Razorenova, Ekaterina Skidchenko, ANNA BUTORINA, NIKOLAY KOSHEV. On-scalp Yttrium-Iron Garnet sensor arrays for brain source localization: Cramér-Rao bound analysis. Journal of Physics Conference Series, 2024, February, 2701(1):012061.
7. Ekaterina Skidchenko, ANNA BUTORINA, Nikita Fedosov, Oleg Shevtsov, DARIA MEDVEDEVA, Darisy Zhao, Ignat Dubynin, Maxim Fedorov; NIKOLAY KOSHEV, ALEXEI OSSADTCHI (2025) The Tale of Two Rooms: Comparison of QuSpin Zero-Field OPMs’ Operation in Two Magnetically Shielded Environments. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Volume 74, 9516511.
8. Daria Kleeva, ALEXEI OSSADTCHI. Context-dependent PSIICOS: A novel framework for functional connectivity estimation accounting for task-related power leakage. NeuroImage, Volume 316, 1 August 2025, 121268.
9. Nikita Fedosov, DARIA MEDVEDEVA, Oleg Shevtsov, & ALEXEI OSSADTCHI (2025). A reliable and reproducible real-time access to sensorimotor rhythm with a small number of optically pumped magnetometers. Journal of Neural Engineering, 22(4), 046031.