Pracownia Modelowania i Metod Elektrofizjologicznych

Dr hab. Tiaza Bem (kierownik Pracowni)
Prof. Dr hab. Katarzyna Blinowska (1/2 etatu)
Prof. Dr hab. inż. Wojciech Zmysłowski (1/16 etatu)
Prof. Dr hab. inż. Ewa Zalewska
Dr hab. Maria Piotrkiewicz
Dr hab. Tiaza Bem
Dr hab. Jan Karbowski (1/2 etatu)
Dr Elżbieta Olejarczyk
Dr Hanna Goszczyńska
Dr Bożena Kuraszkiewicz
Mgr Dariusz Młoźniak
Mgr Bartosz Jura (doktorant)

Prace prowadzone w Pracowni koncentrują się na pewnych aspektach przetwarzania informacji w układzie nerwowym, które badane są na modelu zwierzęcym i u człowieka, przy zastosowaniu metod doświadczalnych, obliczeniowych oraz metod modelowania matematycznego. Rozwijane są następujące zagadnienia tematyczne:

1. Badanie wpływu zmian struktury mięśnia na obraz EMG ukierunkowane na diagnostykę.
2. Analiza własności motoneuronów warunkujących ich fizjologiczne i patologiczne formy aktywności, charakterystyka czasowa i częstotliwościowa potencjałów jednostek ruchowych w zależności od wieku, w stanach poudarowych, w szeregu chorób neurodegeneracyjnych (np. stwardnienie zanikowe boczne, etc).
3. Mechanizmy konsolidacji pamięci. Analiza danych behawioralnych i elektrofizjologicznych pozyskanych w trakcie formowania się pamięci przestrzennej u gryzoni, pod katem poszukiwania korelacji miedzy zmianami aktywności wybranych struktur mózgowych a poziomem wykonania testów pamieciowych. Badanie wpływu wysokoczęstotliwościowych oscylacji hipokampalnych (ang. „ripples”) na stabilność śladów pamięciowych w modelu sieci neuronowej, analiza związków miedzy różnymi typami plastyczności synaps, dynamiką sieci, i ilością przetwarzanej informacji.
4. Badanie sprzeżeń naczyniowo-neuronalnych przy zastosowaniu technik multimedialnych.
5. Połączenia funkcjonalne mózgu. Badania dotyczą transmisji czynności elektrycznej w ośrodkowym systemie nerwowym. Badane są własności estymatorów transmisji w aspekcie odporności na efekt wspólnego źródła i przewodnictwo objętościowe oraz analizowane dane dotyczące propagacji informacji w strukturach mózgu w trakcie wykonywania zadań pamięciowych u człowieka. Analiza zmian w organizacji funkcjonalnej mózgu u pacjentów neurologicznych (udar, padaczka) oraz psychiatrycznych.

Niektóre osiągnięcia (2007-2017):

1. Opracowano metodę oszacowania czasu trwania potencjału hiperpolaryzacyjnego następczego (AHP) motoneuronów na podstawie analizy zmienności interwałów międzyimpulsowych jednostek ruchowych.
2. Znaleziono markery odróżniające pacjentów z chorobą Alzheimera (ALZ) od grupy kontrolnej (Nold) oparte o miary siły sprzężeń: Kierunkową Funkcję Przejścia (DTF) i koherencje. Miary te pozwoliły na otrzymanie klasyfikacji między grupami na poziomie czułości 85.
3. Dokonano oceny metod sprzężenia między populacjami neuronowymi oceniając ich odporność na szum, przewodnictwo objętościowe, efekt wspólnego źródła oraz możliwość estymacji kierunku interakcji i charakterystyki widmowej propagacji EEG.
4. Opracowano metody automatycznej analizy i detekcji wzorów fala ostra – fala wolna w oparciu o sygnały EEG rejestrowane podczas anestezji wziewnej
5. Zaproponowano nowy mechanizm powstawania podwójnego piku w widmie mocy w zakresie częstotliwości fal alfa.
   Ponadto, wykazano, że:
6. Z wiekiem badanego następuje liniowy wzrost czasu trwania AHP w zakresie wieku 5.5–79 lat, ponadto wydłużenie AHP występuje u pacjentów po wylewie oraz skrócenie czasu trwania AHP, skorelowane ze stopniem zaawansowania schorzenia w dystrofii mięśniowej Duchenne'a (DMD).
7. Odległości elektrotoniczne w motoneuronach człowieka niwelują wpływ przewodności błonowych, odpowiedzialnych za opóźnione pobudzenie synaptyczne.
8. Terapia riluzole wpływa na sieci neuronowe rdzenia kręgowego biorące udział w wytwarzaniu sterowania czynnością mięśni antagonistycznych w ruchu lokomocyjnym.
9. W trakcie nauki zadania przestrzennego u myszy występowaniu oscylacji typu ripples generowanych w hipokampie towarzyszy wzrost mocy sygnałów w paśmie wolnej gammy 20-50 Hz w szeregu obszarach kory, co sugeruje udział tych oscylacji w integrowaniu informacji przestrzennej pomiędzy hipokampem a korą.
10. U szczurów pozytywny wpływ obserwacji na proces nauki zadania przestrzennego jest uwarunkowany wytworzeniem „cognitive spatial map”, prawdopodobnie w obszarze hipokampa.
11. W sieciach embrionalnych i rozwijających się, w których dominują amorficzne połączenia elektryczne, generacja wielofazowych wzorców aktywności AP może być wynikiem multistabilnosci sieci, a nie specyficznych topologicznie połączeń chemicznych.
12. Dynamika oddzialywań miedzy dwoma typami synaps pobudzajacych: synapsami sensorycznymi oraz synapsami lokalnymi łączącymi poszczegolne interneurony sieci może podlegac tym samym regułom co dynamika oddzialywań miedzy graczami w grach populacyjnych, opisywana przez równanie replikatorowe.

Wybrane publikacje 2007-2017

1. Piotrkiewicz M., Kudina L., Mierzejewska J., Jakubiec M., Hausmanowa-Petrusewicz I.(2007). Age-related change in duration of afterhyperpolarization of human motoneurones. J Physiol (London) 585(2): 483–490.
2. Piotrkiewicz M, Hausmanowa-Petrusewicz I (2011). Motoneurone afterhyper-polarisation duration in amyotrophic lateral sclerosis. J Physiol (London) 589(11): 2745–2754.
3. Terman D, E Lee, J Rinzel and T. Bem (2011). Stability of anti-phase and in-phase locking by electrical coupling but not fast inhibition alone. SIAM Journal on Applied Dynamical Systems 10,1127-1153.
4. Olejarczyk E, Jozwik A, Zmyslowski W, Sobieszek A, Marciniak R, Byrczek T, Jalowiecki Bem T (2012). Automatic detection and analysis of the EEG sharp wave-slow wave patterns evoked by fluorinated inhalation anesthetics. Clin Neurophysiol 123:1512-22.
5. Zalewska E, Szmidt-Salkowska E, Rowinska-Marcinska K, Kaminska A, Hausmanowa-Petrusewicz I. (2013). Motor unit potentials with satellites in dystrophinopathies. J Electromyogr Kinesiol (3):580-6. doi: 10.1016/j.jelekin.2012.11.002. Epub 2013 Jan 28.
6. F. Rakowski, J. Srinivasan, PW Sternberg, J. Karbowski (2013).Synaptic polarity of the
   interneuron circuit controling C. elegans locomotion'', Front. Comput. Neurosci.
7. Meyrand P and T. Bem (2014). Variety of alternative stable phase-locking in networks of electrically coupled relaxation oscillators. PLoS One 10.1371/journal.pone.0086572.
8. Zappasodi F, Olejarczyk E, Marzetti L, Assenza G, Pizzella V, Tecchio F. (2014) Fractal dimension of EEG activity senses neuronal impairment in acute stroke. PLoS One 9(6):e100199.
9. Zappasodi F, Marzetti L, Olejarczyk E, Tecchio F, Pizzella V. (2015) Age-Related Changes in Electroencephalographic Signal Complexity. PLoS One 10(11):e0141995.
10. Kaminski M, Brzezicka A, Kaminski J, Blinowska KJ Measures of Coupling between Neural Populations Based on Granger Causality Principle. Front Comput Neurosci. 2016 Oct 26;10:114.
11. Nicole O, S Hadzibegovic, J Gajda, B Bontempi, T Bem, P Meyrand (2016). Soluble amyloid beta oligomers block the learning-induced increase in hippocampal sharp wave-ripple rate and impair spatial memory formation. Sci Rep 6:22728. doi: 10.1038/srep22728.
12. Blinowska KJ, Rakowski F, Kaminski M, De Vico Fallani F, Del Percio C, Lizio R, Babiloni CFunctional and effective brain connectivity for discrimination between Alzheimer's patients and healthy individuals: A study on resting state EEG rhythms (2017). Clin Neurophysiol. 128(4):667-680. doi: 10.1016/j.clinph.2016.10.002.
13. M. Piotrkiewicz and K.S. Türker (2017). Onion Skin or Neuromuscular Wisdom? Front. Cell. Neurosci. 11:2., doi: 10.3389/fncel.2017.00002
14. Cottone C, Porcaro C, Cancelli A, Olejarczyk E, Salustri C, Tecchio F. (2017) Neuronal electrical ongoing activity as a signature of cortical areas. Brain Structure and Function 222(5): 2115-2126.
15. Zmysłowski W, AM Cabaj, U Sławińska (2017). Effects of sciatic nerve crush inflicted at birth and treatment with riluzole on control of soleus and extensor digitorum longus muscles during locomotion in adult rats. PLoS One 12(1):e0170235. doi: 10.1371/journal.pone.0170235.
16. Olejarczyk E, Marzetti L. Zappasodi F, Pizzella V. (2017). Comparison of connectivity analyses methods in EEG during resting state. J Neural Eng.14(3):036017.
17. Olejarczyk E, Jernajczyk W. (2017). Graph-based analysis of brain connectivity in schizophrenia. Plos One 12(11): e0188629.
18. Olejarczyk E, Bogucki P, Sobieszek A. (2017). The EEG Split Alpha Peak: Phenomenological Origins and Methodological Aspects of Detection and Evaluation. Front Neurosci. 11:506.
19. Lachert P, Janusek D, Pulawski P, Liebert A, Milej D, Blinowska KJ. (2017). Coupling of Oxy- and Deoxyhemoglobin concentrations with EEG rhythms during motor task. Scientific Reports 7: 15414. doi:10.1038/s41598-017-15770-2.
20. Lachert P, Zygierewicz J, Janusek D, Pulawski P, Sawosz P, Kacprzak M, Liebert A, Blinowska KJ. (2018). Causal Coupling Between Electrophysiological Signals, Cerebral Hemodynamics And Systemic Blood Supply Oscillations In Mayer Wave Frequency Range. Intern. J of Neural Systems 2018 Jul 26: 1850033. doi: 10.1142/S012906571850033.
21. Lebiecka K, Żuchowicz U, Wozniak-Kwasniewska A, Szekely D, Olejarczyk E, David O. (2018). Complexity analysis of EEG data in persons with depression subjected to transcranial magnetic stimulation. Front Physiol. 9: 1385.
22. Zuchowicz U, Wozniak-Kwasniewska A, Szekely D, Olejarczyk E, David O. (2019). EEG phase synchronization in persons with depression subjected to transcranial magnetic stimulation. Front Neurosci. 12: 1037.

Projekty w trakcie realizacji:

Badanie sprzężenia neuronowo-naczyniowego w trakcie wykonywania zadania ruchowego i jego wyobrażenia przy pomocy techniki NIRS/EEG. Finansowanie NCN , UMO-2014/15/B/ST&/05263. (2015-2017). PDF1 PDF2
Zastosowanie ontologicznej analizy wiedzy medycznej do budowy internetowej bazy danych umożliwiającej badanie patogenezy stwardnienia bocznego zanikowego”, finasowanie JPND, ONWebDUALS . (2015-2018).