Качество данных и возможность получения
Применение заранее определенных критериев качества данных привело к исключению каналов и участников с недостаточным качеством сигнала. Успешные результаты характеризуются высокой степенью сохранения каналов во всех условиях, стабильными гемодинамическими записями и интерпретируемыми паттернами связности, которые позволяют надежно оценить характеристики сети. К неудачным или субоптимальным результатам относятся низкое качество сигнала, избыточные артефакты движения, недостаточный прижим оптода к коже головы, недостаточное количество сохраненных каналов или противоречивые оценки сети, ограничивающие интерпретируемость. Как показано на рисунке 3 и рисунке 4, итоговый набор данных после оценки качества включал 19 участников с большим депрессивным расстройством (БДР; средний возраст: 31,21 года, SD: 8,99; 10 женщин) и 19 здоровых добровольцев (ЗД; средний возраст: 33,5 года, SD: 13,51; 7 женщин). Семь участников (3 с БДР и 4 из группы ЗД) были исключены из-за недостаточного качества данных, что было связано преимущественно с артефактами движения или плохим прижимом оптода к коже головы.
Карты качества по каналам дополнительно продемонстрировали гетерогенное пространственное распределение качества сигнала между участниками, при этом у некоторых лиц наблюдались локализованные области пониженного качества. Эти результаты подчеркивают важность применения предопределенных пороговых значений на основе индекса связи со скальпом и пика спектра мощности перед проведением дальнейшего анализа. Данные процедуры контроля качества гарантируют, что последующие сетевые показатели будут рассчитаны на основе надежных данных, и представляют собой критически важный компонент протокола. Представленные здесь репрезентативные результаты напрямую зависят от успешного прохождения скрининга качества данных, стандартизированной предобработки, извлечения временных рядов на основе областей интереса (ROI) и применения предопределенной процедуры отбора по ранговой сумме.
Предварительная обработка и построение сети
Схема эксперимента и рабочий процесс предварительной обработки представлены на Рисунке 1 и Рисунке 2. После этапа контроля качества (Рисунок 2) сигналы были успешно преобразованы в концентрацию гемоглобина и скорректированы с учетом артефактов движения и системного физиологического шума. Успешное завершение этих этапов предварительной обработки характеризуется сохранением высококачественных каналов, стабильностью региональных временных рядов и интерпретируемостью оценок связности; в то время как неудовлетворительные результаты включают чрезмерную потерю сигнала, неустраненные артефакты или ненадежные показатели сети. Извлечение региональных временных рядов из узлов сети пассивного режима работы мозга позволило построить матрицы функциональной связности для каждого условия. Эти репрезентативные результаты напрямую зависят от успешного выполнения контроля качества данных17, стандартизированной предварительной обработки18, определения ROI и применения заранее определенной процедуры ранжирования. Полученные матрицы функциональной связности сети пассивного режима работы мозга служат основой для последующих сравнений на основе расстояния.
Репрезентативные результаты на уровне сети
Рисунок 5A демонстрирует пример профиля функциональной связности DMN для репрезентативного участника с БРП в зависимости от условий, наряду с эталонным шаблоном сети DMN, полученным на основе группы здорового контроля. Эти матрицы позволяют напрямую визуализировать паттерны связей между регионами при различных условиях и помогают отличить успешный результат выполнения протокола от менее интерпретируемых или низкокачественных оценок сети. Визуальный анализ выявляет зависимые от условий вариации в организации сети относительно шаблона, иллюстрируя, как частота стимуляции может модулировать структуру сети DMN в рамках одного сеанса.
Меры расстояния (Рисунок 5B) количественно определяют эти различия по нескольким показателям (связность, собственные значения, собственные векторы и средняя управляемость). Для каждого показателя условия можно ранжировать по их близости к эталонному шаблону, при этом более низкие значения расстояния указывают на большее сходство. Примечательно, что ранжирование по различным метрикам расстояния варьируется в зависимости от условий, что отражает взаимодополняющую информацию о представлениях сети, которую фиксирует каждый показатель.
Выбор частоты на основе консенсуса
Для интеграции информации по четырем метрикам ранги были агрегированы для каждого участника (Рисунок 5C). Четкое различие кумулятивных показателей ранга между условиями свидетельствует об успешной дифференциации частотно-специфических ответов сети, в то время как очень близкие значения рангов в разных условиях указывают на ограниченную чувствительность протокола или слабое различие между эффектами стимуляции. Условие с наименьшим кумулятивным показателем ранга интерпретировалось как репрезентативная частота стимуляции-кандидат для данного участника. В Таблице 1 обобщены эти результаты по всем участникам вместе с соответствующими значениями коэффициента усиления стимуляции и степенью согласованности между метриками, количественно определенной с помощью W Кендалла.
В группе с БРД 12 из 19 участников продемонстрировали наименьший совокупный ранг для активной частоты стимуляции по сравнению с имитацией (sham). Выбранная частота стимуляции варьировалась в зависимости от участника, что суммировано в Таблице 1. Согласованность показателей, количественно определенная с помощью W Кендалла, также различалась между отдельными людьми, что отражает вариабельность согласованности ранжирования. Более высокие значения W Кендалла указывают на более сильное соответствие между показателями и большую уверенность в том, что несколько сетевых параметров поддерживают одно и то же ранжирование условий, в то время как более низкие значения указывают на более слабую согласованность и большую гетерогенность показателей. Таким образом, окончательный выбор следует интерпретировать как основанную на данных интеграцию взаимодополняющих сетевых признаков, а не как решение, основанное на каком-то одном показателе.
Эти репрезентативные результаты, подтверждающие техническую осуществимость метода, иллюстрируют типы выходных данных сетевого уровня, генерируемых данным протоколом, и демонстрируют, что этот рабочий процесс может быть реализован для внутрисубъектного сравнения различных условий стимуляции. Полученные данные предназначены для иллюстрации процессов сбора сигналов, предварительной обработки, извлечения признаков и рангового картирования параметров, а не для доказательства терапевтического эффекта, клинической эффективности или валидации показателей, как показано в Рисунки 1–5 и Таблица 1.

Рисунок 1Экспериментальный дизайн и конфигурация зонда fNIRS. (A) Внутрисубъектный дизайн эксперимента. Каждый участник прошел все условия в рамках одного сеанса, включая исходное состояние покоя (RS0), имитацию стимуляции (плацебо), четыре частоты активной стимуляции (2, 10, 25 и 40 Гц) и состояние покоя после стимуляции (RS1). Порядок активной стимуляции был рандомизирован для каждого участника. Каждый блок длился 6 мин и разделялся интервалами без стимуляции продолжительностью около 2 мин. Данные функциональной ближней инфракрасной спектроскопии (fNIRS) регистрировались непрерывно (общая продолжительность около 54 мин) и сегментировались по условиям для последующего анализа. (B) Схема расположения датчиков fNIRS, демонстрирующая 32 источника (красные) и 30 детекторов (синие), которые формируют 89 каналов с большим расстоянием и 8 каналов с коротким расстоянием (обведены). Каналы с коротким расстоянием использовались для удаления поверхностного физиологического шума. (C) Профиль корковой чувствительности схемы расположения датчиков относительно сети пассивного режима работы мозга (DMN) на основе атласа автоматической анатомической разметки (AAL), иллюстрирующий зависимость чувствительности измерений от глубины. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2Конвейер предварительной обработки и извлечения признаков для сетевого анализа на основе фНИРС.
Необработанные данные об интенсивности света были разделены на блоки, соответствующие определенным условиям (RS0, ложная стимуляция, частоты стимуляции и RS1). Качество данных оценивали с помощью индекса сопряжения с кожей головы (SCI) > 0,8) и пик спектральной мощности (PSP > 0,1), при этом сохранялись только высококачественные каналы. Сигналы были преобразованы в оптическую плотность, после чего была выполнена коррекция движений с использованием метода восстановления распределения временных производных (TDDR) и вейвлет-фильтрации. Были вычислены изменения концентрации гемоглобина, а для снижения системного физиологического шума применялась регрессия по коротким каналам. Для сетевого анализа временные ряды были извлечены из областей интереса (ROI) в пределах сети пассивного режима работы мозга (DMN), включая медиальную префронтальную кору (mPFC), прекунеус (Prec), нижнюю теменную дольку (IPL) и медиальную височную долю (MTL). Была рассчитана функциональная связность между областями интереса. Производными признаками стали значения связности, собственные значения, собственные векторы и средняя управляемость. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3. Оценка качества данных у участников с большим депрессивным расстройством (БДР).
(A) Количество каналов, соответствующих критериям качества в состоянии покоя (RS0), для каждого участника с БДР. Столбцы обозначают все каналы (серый), каналы с большим расстоянием (синий) и каналы с коротким расстоянием (оранжевый), соответствующие критериям качества (≥70% времени записи при SCI > 0.8 и PSP > 0.1). Пунктирные линии указывают максимальное количество доступных каналов с большим расстоянием (89), каналов с коротким расстоянием (8) и порог приемлемого качества данных на уровне участника (сохранение ≥70% от общего числа каналов). Участники, показатели которых ниже порога, выделены (D13, D18, D19). (B) Поканальное качество данных по всем участникам. Тепловая карта показывает процент времени записи, соответствующий критериям качества для каждого канала и каждого участника во время RS0. Более темная заливка указывает на более низкое качество данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4. Оценка качества данных у участников из группы здорового контроля. (A) Количество каналов, соответствующих критериям качества при исходном состоянии (RS0), для каждого участника из группы здорового контроля. Столбцы отображают все каналы (серый), каналы с большим расстоянием между электродами (синий) и каналы с коротким расстоянием между электродами (оранжевый), соответствующие критериям качества (≥70% времени записи с SCI > 0.8 и PSP > 0.1). Пунктирные линии обозначают максимальное количество доступных каналов и порог приемлемого качества данных на уровне участника (сохранение ≥ 70% от общего числа каналов). Участники, показатели которых ниже порога, выделены (HC13, HC14, HC15, HC18). (B) Качество данных по каждому каналу для всех участников. Тепловая карта показывает процент времени записи, соответствующий критериям качества для каждого канала и участника во время RS0. Более темная заливка указывает на более низкое качество данных. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5. Пример выбора частоты стимуляции на основе анализа расстояния для одного участника.
(A) Матрицы функциональной связности, показывающие попарные взаимодействия между четырьмя областями сети пассивного режима работы мозга для одного репрезентативного участника с БРД (D11) в различных условиях (RS0, имитация и частоты стимуляции). Области включают медиальную префронтальную кору (mPFC), нижнюю теменную дольку (IPL), прекунеус (Prec) и медиальную височную долю (MTL). Центральная матрица представляет собой шаблон здорового контроля, полученный на основе групповых данных RS0. (B) Показатели расстояния между каждым условием и шаблоном здорового контроля по четырем метрикам: расстояние по связности (D_conn), расстояние по собственным значениям (D_eig), расстояние по собственным векторам (D_evec) и расстояние по средней управляемости (D_AC). Столбцы представляют значения расстояния; более низкие значения указывают на большее сходство с шаблоном. Для каждого условия приведен ранжированный список (ранг 1 = наименьшее расстояние). (C) Консенсусный ранжированный список по всем метрикам, полученный путем суммирования рангов для каждого условия. Условие с наименьшим общим рангом было выбрано в качестве оптимальной частоты стимуляции для данного участника. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
| ID участника | Связность | Собственное значение | Собственный вектор | Ср. управляемость | Консенсус | W-критерий Кендалла |
| D01 | 40HZ (G=1.00) | 40HZ (G=1.00) | 40HZ (G=1.00) | 40HZ (G=0.29) | 40HZ | 0.85 |
| D02 | Плацебо (G=0.18) | Плацебо (G=0.00) | Плацебо (G=0.11) | Плацебо (G=-0.09) | Плацебо | 0.89 |
| D03 | 10HZ (G=0.20) | Плацебо (G=0.05) | 2HZ (G=0.56) | Плацебо (G=0.63) | 40HZ | 0.34 |
| D07 | Плацебо (G=0.29) | 25HZ (G=0.06) | 2HZ (G=0.33) | 25HZ (G=0.45) | 25HZ | 0.36 |
| D10 | Плацебо (G=1.00) | Плацебо (G=1.00) | Плацебо (G=1.00) | Плацебо (G=1.00) | Плацебо | 0.59 |
| D11 | 10HZ (G=0.71) | 10HZ (G=0.66) | 2HZ (G=0.73) | 40HZ (G=1.00) | 10HZ | 0.34 |
| D15 | 40HZ (G=0.58) | 40HZ (G=0.53) | 40HZ (G=0.21) | 40HZ (G=-0.27) | 40HZ | 0.96 |
| D16 | 25HZ (G=1.00) | 10HZ (G=1.00) | 25HZ (G=0.90) | 25HZ (G=0.40) | 25HZ | 0.64 |
| D17 | 2HZ (G=0.51) | 2HZ (G=0.75) | 25HZ (G=0.73) | 10HZ (G=0.82) | 10HZ | 0.21 |
| D20 | 25HZ (G=-0.08) | 25HZ (G=0.04) | 25HZ (G=-0.27) | Плацебо (G=0.31) | 25HZ | 0.84 |
| D21 | Плацебо (G=0.37) | 2HZ (G=0.08) | Плацебо (G=0.27) | 40HZ (G=-0.28) | Плацебо | 0.41 |
| D22 | 2HZ (G=-0.06) | 10HZ (G=0.19) | 2HZ (G=0.75) | 2HZ (G=1.00) | 2HZ | 0.47 |
| D23 | Плацебо (G=0.53) | 25HZ (G=-0.14) | Плацебо (G=0.71) | 40HZ (G=0.23) | Плацебо | 0.31 |
| D24 | 25HZ (G=0.59) | 25HZ (G=0.18) | 25HZ (G=0.18) | Плацебо (G=0.34) | 25HZ | 0.5 |
| D25 | 25HZ (G=1.00) | Плацебо (G=-0.01) | 10HZ (G=1.00) | Плацебо (G=0.19) | 25HZ | 0.16 |
| D26 | 10HZ (G=0.52) | Плацебо (G=0.01) | 10HZ (G=1.00) | 10HZ (G=0.71) | 10HZ | 0.93 |
| D27 | 10HZ (G=-0.11) | 10HZ (G=0.20) | 2HZ (G=-0.20) | 40HZ (G=1.00) | 2HZ | 0.05 |
| D28 | 10HZ (G=0.51) | 10HZ (G=0.04) | 10HZ (G=1.00) | 10HZ (G=-0.02) | 10HZ | 0.81 |
| D29 | 10HZ (G=0.81) | 10HZ (G=0.54) | Плацебо (G=1.00) | 10HZ (G=1.00) | 10HZ | 0.85 |
| Коэффициент усиления | 0.50, 0.52 | 0.32, 0.18 | 0.58, 0.73 | 0.46, 0.40 | | 0.55, 0.50 |
| (Среднее, Медиана) |
Таблица 1: Выбор частоты для каждого участника в зависимости от метрик расстояния.
Для каждого участника приведено условие стимуляции, соответствующее минимальному расстоянию до шаблона здорового контроля, для четырех сетевых показателей: расстояния связности (D_conn), расстояния собственных значений (D_eig), расстояния собственных векторов (D_evec) и расстояния средней управляемости (D_AC). Значения в скобках (G) указывают на усиление стимуляции. Столбец Consensus показывает рекомендуемую частоту стимуляции на основе агрегации рангов по четырем показателям. W Кендалла количественно определяет степень согласованности показателей для каждого участника. В последней строке приведены средние и медианные значения усиления стимуляции по всем участникам для каждого показателя, а также соответствующие значения W Кендалла.