نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
دانشکده علوم پایه، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، بابل
چکیده
مهم‌ترین ویژگی غیرخطی در پاسخ الکتروآنسفالوگرام (EEG) به تحریک خارجی مغز، تولید هارمونیک‌ها و کشش بسامدی است که ناشی از برهمکنش بین محرک خارجی و نوسانات مغز است. در این مقاله، با استفاده از مدل پیوستۀ میدان عصبی در سامانۀ کورتکس-تالاموس، دینامیک غیرخطی مغز و تولید هارمونیک‌ها را در پاسخ به تحریک خارجی دوره‌ای بررسی می‌کنیم. ابتدا با معرفی مدل کامل و فشردۀ میدان عصبی، معادلات حاکم بر تحول پتانسیل مغز را به دست می‌آوریم. سپس با استفاده از روش اختلال کاهش‌یافته و مقیاس‌های زمانی چندگانه نشان می‌دهیم که پاسخ نوسانات مغز در هارمونیک‌های متفاوت، بسامد نوسانات خارجی است که مرتبط با سیگنال‌های EEG ثبت شده از نمونه‌های انسانی در وضعیت بیداری است. در انتها با شبیه‌سازی مدل کامل میدان عصبی، طیفی از تولید هارمونیک‌ها در بسامد‌های متفاوت تحریک خارجی به دست آمده است که مرتبط با نتایج تجربی برهمکنش تحریک وابسته به نور با مغز است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
Nonlinear brain dynamics in neural field model and harmonic generation responses to the external stimuli
نویسندگان [English]
- Maryam Roshanbin
- Hassan Alinejad
- Hossein Akou
Faculty of Basic Sciences, Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]
The most important nonlinear feature in the EEG response to external stimuli is the harmonic generation and entrainment which is due to the interaction between stimuli and ongoing brain oscillations. In this paper, we study the nonlinear brain dynamics and harmonic generation responses to the periodic external stimuli by employing continuum neural field model. A compact dynamical model of brain activity is first introduced, and the governing equations for the evolution of potential are obtained. Then, using the perturbation method and multiple time scales, we show brain response oscillations in harmonic drive frequency consistent with the recorded scalp EEGs from awake human subjects. Finally, to confirm the experimentally observed results of interaction between photic driving and brain dynamics, we have numerically simulated the full neural field model equations, and have shown harmonic frequency generation over a range of external frequencies.
کلیدواژه‌ها [English]
- neural field model
- cortex-thalamus system
- photic driving
- harmonic generation
- G Thut, P G Schyns, and J Gross, Psychol. 2 (2011) 170.
- R F Helfrich, T R Schneider, S Rach, S A Trautmann-Lengsfeld, A K Engel, and C S Herrmann, Biol. 24 (2014) 333.
- A J Woods, et al., Neurophysiol. 127 (2016) 1031.
- A Mazzoni, S Panzeri, N K Logothetis, and N Brunel, PLoS Biol. 4 (2008) e1000239.
- E Ledoux and N Brunel, Comput. Neurosci. 5 (2011) 1.
- P A Robinson, C J Rennie, and J J Wright, Rev. E 56 (1997) 826.
- G Deco, V K Jirsa, P A Robinson, M. Breakspear, and K Friston, PLoS Comput. Biol. 4 (2008) e1000092.
- P A Robinson, C J Rennie, D L Rowe, S C O'Connor, and E Gordon, Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 360 (2005) 1043.
- R G Abeysuriya, C J Rennie, and P A Robinson, Neurosci. Methods 253 (2015) 55.
- P A Robinson, J. Biol. 222 (2003) 163.
- P A Robinson, C J Rennie, J J Wright, H Bahramali, E Gordon, and D L Rowe, Rev. E 63 (2001) 021903.
- D -P Yang and P A Robinson, Rev. E 95 (2017) 042410.
- P A Robinson, C J Rennie, and D L Rowe, Rev. E 65 (2002) 041924.
- J A Roberts and P A Robinson, NeuroImage 62 (2012) 1947.
- J W Kim and P A Robinson, Rev. E 75 (2007) 031907.
- G Rager and W Singer, J. Neurosci. 10 (1998) 1856.
- C S Herrmann, Brain Res. 137 (2001) 346.
- D Regan, “Human Brain Electrophysiology”, Elsevier, New York (1989).
- Z Liu, C Rios, N Zhang, L Yang, W Chen, and B He, NeuroImage 50 (2010) 1054.
- C J Stam, J P M Pijn1, P Suffczynski, and F H Lopes da Silva, Clin. Neurophysiol. 110 (1999) 1801.
- M Breakspear, J A Roberts, J R Terry, S Rodrigues, N Mahant, and P A Robinson, Cortex 16 (2006) 1296.
- F Wendling, J Bellanger, F Bartolomei, and P Chauvel, Biol. Cybernet. 83 (2000) 367.
- E Niedermeyer and F L Lopes da silva (Eds.), “Electroencephalography: Basic Principles, Clinical Applications, and Related Fields”, Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia (2005).
- H Alinejad, D P Yang, and P A Robinson, Physica D 402 (2020) 132231.
- J W Kim and P A Robinson, Phys. Rev. E 77 (2008) 051914.
- A H Nyfeh, “Introduction to Perturbation Techniques”, John Wiley & Sons, New York (2011).
- P A Robinson, C J Rennie, D L Rowe, and S C OˈConnor, Brain Mapp. 23 (2004) 53.
- P A Robinson and C. J. Rennie, Phys. Rev. E 56 (1997) 826.
)