Методи машинного навчання у когнітивній нейробіології та нейроекономіка

Методи машинного навчання у когнітивній нейробіології та нейроекономіка (Machine learning in cognitive neurobiology and neuroeconomics) — науковий осередок, який функціонує на кафедрі фізіології людини і тварин медико-біологічного факультету.

Керівник — Кузнєцов Ілля Павлович, кандидат біологічних наук, доцент кафедри фізіології людини і тварин Східноєвропейського національного університету імені Лесі Українки.

e-mail: Kuznetsov.Illya@vnu.edu.ua

Анотація

Застосування теорії ігор в психології призвело до розуміння глибоких мотивів іраціональної поведінки людини. Останні 20 років значна увага нейрофізіології приділяється мозковим механізмам такої поведінки. Структура таких нейрофізіологічних експериментів базується на оцінці взаємодій суб’єкта із партнерами із кількісним визначенням прибутку чи втрат суб’єкта в результаті взаємодії. Це, в свою чергу, дозволяє поєднати області економіки, психології, соціології та нейрофізіології. Таким чином, розглядаються соціальні взаємодії люди в аспекті як економічному, так і нейрофізіологічному із врахуванням впливу різноманітних соціальних факторів (соціального положення суб’єкта, наявності культурних обмежень або традицій при здійсненні рішення, вплив фактора статі – наспамперед, у соцільному його значенні, порушень роботи психіки чи екстремальних психоемоційних станів) – на показники ефективності людської кооперації взагалі і на альтруістичність/егоістичність поведінки людини зокрема. Разом із тим, аналіз нейроекономічних даних, які характеризуються врахуванням великої кількості соціальних, фізіологічних, економіних даних, вимагає використовувати складні математичні та статистичні методи – насамперед, методи машинного навчання та глибокого навчання. Окрема увага приділяється аналізу мікростанів мозку, отриманих на основі ЕЕГ – гіпотечних «квантів» психічної активності людини. Застосування методів машинного навчання, з одного боку, дозволяє зменшити розмірність даних (зменшити набір факторів в аналізі), з іншого боку – класифікувати та кластеризувати значимі ефекти в дослідженні. В рамках наукової діяльності осередку здійснюється дослідження нейрофізіологічних механізмів альтруїстичної/егоїстичної поведінки людини. Показано, що вибір типу поведінки, протилежної психотипу людини – наприклад, егоїстична дія з боку альтруїстично-спрямованого суб’єкту – призводить до гальмування виконавчих процесів в корі головного мозку і збільшення часу реакції. Такі ефекти є результатом збільшення активності насамперед лівого дорсолатерального префронтального відділу кори. Показано, що метаболітичні зміни в рівні активності окремих відділів кори, яким приділяється значна увага у дослідженнях із використанням методики фЯМР, пов’язані насамперед із тривалою зміною ритміки у цих відділах, ніж із короткочасною викликаною активністю. В результаті діяльності осередку вперше в Україні були здійснені експерименти із використанням методики ERD/ERS та розроблене програмне забезпечення для обробки нейрофізіологічних даних для цієї методики. Також було розроблене програмне забезпечення для аналізу фазових взаємодій ритмічної електричної активності. Разом із закордонними партнерами ведеться створення бази даних ЕЕГ для цілей машинного навчання. Окремим напрямом роботи осередку є використання методів машинного навчання для аналізу вроджених дефектів нервової системи в Поліському регіоні.

Напрями наукових досліджень

Нейрофізіологічні механізми прийняття рішень, нейрофізіологія соціальних взаємодій, глибоке навчання та машинне навчання для аналізу і класифікації ЕЕГ та ВП, мікростани ЕЕГ, фазові співвідношення у ЕЕГ та їх функціональне значення.

Представники

Журавльов Олександр Анатолійович - кандидат біологічних наук, доцент кафедри фізіології людини і тварин.
e-mail: Zhuravlov.Oleksandr@eenu.edu.ua
Напрям наукових досліджень: нейрофізіологічні механізми прийняття рішень: мотиваційно-емоційні аспекти.

Качинська Тетяна Валеріївна - кандидат біологічних наук, доцент Східноєвропейського національного університету імені Лесі Українки.
e-mail: Kachynska.Tatiana@eenu.edu.ua
Напрями наукових досліджень: методи машинного навчання у задачах класифікації біоелектричних сигналів.

Абрамчук Ольга Миколаївна - кандидат біологічних наук, доцент кафедри фізіології людини і тварин.
e-mail: Abramchuk.Olga@eenu.edu.ua
Напрям наукових досліджень: аналіз мікростанів головного мозку в результаті тренування за допомогою методики нейробіозворотного зв’язку.

Науковий доробок

За останні 10 років діяльності осередку було опубліковано більше 70 публікацій, з них 5 – в журналах Scopus. Починаючи з 2014 року при університеті щорічно проводиться всеукраїнська школа з міжнародною участю з обчислювальної біології та нейроінформатики. Представники осередку виграли 6 грантів на подорож для представлення результатів досліджень на міжнародних нейробіологічних конференціях у Флоренції, Копенгагені, Таллінні, Сан-Дієго, Тбілісі. Було отримано 4 патенти на корисну модель. Представники осередку виграли міжнародний грант на співпрацю за програмою ResearchLinsk від шведської наукової ради та грант за програмою Фулбрайта на нейроекономічні дослідження у США. Представники осередку активно співпрацюють із такими іноземними інститутами: Кавказький університет та університет Ілії (Тбілісі, Грузія), університет Козьмінського (Варшава, Польша), Королівський технічний університет (Стокгольм, Швеція), Технічний університет Мюнхена (Мюнхен, Німеччина), університет Ноттігему (Ноттінгем, Велика Британія), університет Ілінойса в Урбані-Шампейн, університет Еморі в Атланті та Каліфорнійський університет в Сан-Дієго (всі – США).

Одним з основних напрямків досліджень, які проводяться на кафедрі фізіології людини і тварин, є дослідження в області нейроекономіки, відомої також як соціальна нейронаука. Наступним кроком у розвитку цього напрямку стала перемога доцента кафедри Кузнєцова Іллі Павлова у конкурсі на отримання стипендії Фулбрайта на проведення наукових досліджень в університетах США у 2021-2022 рр. Майбутнє дослідження буде присвячене зв'язку роботи оперативної пам'яті із рівнем альтруїстичної спрямованості в людини. Підставою для такого дослідження стали попередньо отримані результати в рамках досліджень, що проводились на кафедрі. Слід зазначити, що реалізація альтруїстичної поведінки та робота оперативної пам'яті людини значною мірою реалізуються тими самими структурами мозку (передня поясна звивина, дорсолатеральна префронтальна кора, структури гіпокампу), порушення роботи цих структур зазвичай призводять до змін як у соціальній поведінці, так і у якості роботи оперативної пам'яті. Ще одним аргументом щодо зв'язку альтруїзму та оперативної пам'яті є антропологічні та еволюційні відомості, які вказують, що реалізація альтруїстичних поведінкових стратегій є більш складною з точки зору обчислювальних ресурсів і, таким чином, вимагає більшої ефективності роботи оперативної пам'яті при прийнятті соціально-спрямованих рішень. Дослідження буде проводитись в університеті Перд'ю (штат Індіана), який входить в рейтинг 100 найкращих університетів світу, в лабораторії професора Себастієна Елі на сучасному електрофізіологічному обладнанні.

Основні праці:

1. Wertelecki W., Koerblein A., Ievtushok B., Zymak-Zakutnia N., Komov O., Kuznietsov I., Lapchenko S., Sosyniuk Z. Elevated congenital anomaly rates and incorporated cesium-137 in the Polissia region of Ukraine // Birth Defects Res A Clin Mol Teratol. - 2016 - Vol. 106, N. 3. - P.194-200. doi: 10.1002/bdra.23476.
2. Wertelecki W. et al. Chornobyl, radiation, neural tube defects, and microcephaly // Eur J Med Genet. –2018. – Vol. 61, № 9. – P. 556-563.
3. Rakovets O. Electrophysiological Features of Brain Electric Activity in Individuals with Different Social Behavior // Abramchuk O., Shvarts L., Kozachuk N., Zhuravlov O., Zhuravlova A., Goshko L., Kachynska T., Osyp M, Osyp Y., Kuznetsov I., Kotsan I. (2019). – Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Science. – 2019. – 10 (3). – P. 1-8.
4. Kuznietsov I. Machine learning approach to classification of Parkinson’s disease patients based on EEG microstates // Illia Kuznietsov, Sergii Kryzhanovskyi, Tetiana Kachynska, Olha Abramchuk, Oleksandr Zhuravlov, Irma Khachidze, Ihor Zyma, Oleksiy Shpenkov, Irina Karaban, Pawel Herman. – BNA2019 Abstract book. – 2019. – PM095. – P. 213-214.
5. Kuznietsov I. EEG microstates during social interaction: team game model // Illia Kuznietsov, Oksana Rakovets, Tetiana Kachynska, Olha Abramchuk. / Dynamics of the brain: temporal aspects of computation: abstract book. – Rungstedgaard, Denmark. – 2019. –P. 20-21.
6. Moore, M., Kuznietsov, I., Katsumi, Y., Kern, S., Zheng, Q., Dolcos, S., & Dolcos, F. Sex Differences in Cooperation Decisions Following Observed Affective Non-Verbal Social Interactions: An ERP Investigation. – Abstracts of 24th Annual Meeting of the Cognitive Neuroscience Society, San Francisco, CA, 2017 – p. 67.
7. Kuznietsov, I., Moore, M., Katsumi, Y., Kern, S., Dolcos, S., & Dolcos, F. What’s your role: changing role affects decision making in Ultimatum Game Abstracts of “Maastricht University – Neuroeconomics Talks 2018” (MU-NET), 2018. – p. 8.
8. Rakovets O. Brain electrical activity of subjects of different egoism-altruism level / Rakovets O., Kuznetsov I., Osyp M., Kotsan I. / Science Rise: Biological Science. – 2018. – № 3 (12). – P. 29–33.
9. Rakovets O., Kuznetsov I., Kotsan I. Behavior reactions characteristic of the individuals with egoistic and altruistic type of social behavior. EUREKA: Social Sciences and Humanities. – 2018. – Vol. 5. – p. 11-15.
10. Kuznetsov Illya, Natalia Ievpak, Oksana Rakovets, Ivanna Marchuk. The effect of working memory and social interactions training on ERP features // Volyn National University Bulletin. Biology Series. – 2014. – N. 13. – P. 151–154.