I.P. Pavlov Journal of Higher Nervous ActivityI.P. Pavlov Journal of Higher Nervous ActivityЖурнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова0044-46773034-5316The Russian Academy of Sciences65208910.31857/S0044467724030049ФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (КОГНИТИВНОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКАФИЗИОЛОГИЯ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ (КОГНИТИВНОЙ) ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКАResearch ArticleIdentification of neurophysiological markers of interoceptive signals using the event-related potential techniqueВыявление нейрофизиологических маркеров обработки интрацептивных сигналов с помощью метода связанных с событиями потенциаловSlovenkoE. D.СловенкоЕ. Д.
Russian Federation
ekaterinaslovenko@gmail.comSysoevaO. V.СысоеваО. В.
Russian Federation
ekaterinaslovenko@gmail.comInstitute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of RASФГБУН Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАНSirius University of Science and TechnologyНаучно-технологический университет “Сириус”2410202474329731002022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://innoscience.ru/0044-4677/article/view/652089

The paper is devoted to presentation and assessment of the algorithm for extraction of heartbeat evoked potential (HEP) using the independent component analysis (ICA). The algorithm includes simultaneous recording of electroencephalogram (EEG) and photoplethysmogram (PPG), selection the EEG-epochs, related to the peak of the PPG pulse wave, separation of cardiac and brain activity in the epochs using the independent component analysis (ICA), synchronization the epochs with the R-wave of the cardiogram. Current source density (CSD) transformation was applied to establish the localization of the extracted potential. The algorithm was tested on 21 subjects and revealed a characteristic increase in evoked potential amplitude between 0 and 400 ms after a heartbeat.

Application of independent component analysis and spatial filtering to EEG epochs, synchronized with PPG recording of heartbeat, allows to extract the heartbeat evoked potential, separately from cardiac field artifact.

Работа посвящена представлению и оценке работы алгоритма выделения мозгового вызванного потенциала, связанного с сердцебиением (ВПС), с помощью метода независимых компонент. Алгоритм включает одновременную регистрацию электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и фотоплетизмограммы (ФПГ), выделение из ЭЭГ фрагментов, соответствующих пику пульсовой волны ФПГ, удаление из полученных фрагментов кардиогенной активности с помощью метода независимых компонент (МНК), синхронизацию фрагментов с R-зубцом кардиограммы. Для уточнения локализации источника полученного потенциала применен пространственный фильтр “current source density” (CSD). Алгоритм был апробирован на 21 участнике эксперимента и выявил характерное повышение амплитуды потенциала в промежутке от 0 до 400 мс после удара сердца — ВПС.

Таким образом, применение методов независимых компонент и пространственной фильтрации к ЭЭГ-фрагментам, синхронизированным с ФПГ, позволяет выделить мозговой вызванный потенциал, связанный с ударом сердца, независимый от собственно сердечной активности, регистрируемой скальповыми отведениями.

heartbeat evoked potentialindependent component analysisEEGPPGвызванный потенциалсвязанный с сердцебиениемметод независимых компонентЭЭГФПГРоссийский научный фондRussian Science Foundation22-18-00676Abtahi F., Seoane F., Lindecrantz K., Löfgren N. Elimination of ECG Artefacts in Fetal EEG Using Ensemble Average Subtraction and Wavelet Denoising Methods: A Simulation. XIII Mediterranean Conference on Medical and Biological Engineering and Computing 2013. 2014. 41: 551–554.Azzalini D., Rebollo I., Tallon-Baudry C. Visceral Signals Shape Brain Dynamics and Cognition. Trends in Cognitive Sciences. 2019. 23 (6): 488–509.Coll M., Hobson H., Bird G., Murphy J. Systematic review and meta-analysis of the relationship between the heartbeat-evoked potential and interoception. Neurosci Biobehav Rev. 2020. 122: 190–200.Dai C., Wang J., Xie J., Li. W., Gong Y., Li .Y. Removal of ECG Artifacts from EEG using an Effective Recursive Least Square Notch Filter. IEEE Access. 2019. 7: 158872–158880.MNE/ tutorials/ Repairing artifacts with ICA [сайт]. URL: https://mne.tools/stable/auto_tutorials/preprocessing /40_artifact_correction_ica.html (дата обращения: 17.10.23).MNE/tools/preprocessing/ICA [сайт].URL:https://mne.tools/stable/generated/mne.preprocessing.ICA.htmlMNE/tools/preprocessing/Compute_current_source_density https://mne.tools/dev/generated/mne.preprocessing.compute_current_source_density.htmlMontoya P., Schandry R., Müller A. Heartbeat evoked potentials (HEP): topography and influence of cardiac awareness and focus of attention. Electroencephalography and clinical neurophysiology. 1993. 88 (3): 163–172.Park H.D., Blanke O. Heartbeat-evoked cortical responses: Underlying mechanisms, functional roles, and methodological considerations. NeuroImage. 2019. 197: 502–511.Petzschner F.H., Weber L.A., Wellstein K.V., Paolini G., Do C.T. et al. Focus of attention modulates the heartbeat evoked potential. NeuroImage. 2019. 186: 595–606.Pollatos O., Schandry R. Accuracy of heartbeat perception is reflected in the amplitude of the heartbeat-evoked brain potential. Psychophysiology. 2004. 41 (3): 476–482.Raimondo F., Rohaut B., Demertzi A., Valente M., Engemann D.A., Salti M. et al. Brain-heart interactions reveal consciousness in noncommunicating patients. Annals of neurology. 2017. 82 (4): 578–591.Jammal Salameh L., Bitzenhofer S.H., Hanganu-Opatz I.L., Dutschmann M., Egger V. Blood pressure pulsations modulate central neuronal activity via mechanosensitive ion channels. Science. 2024. 383 (6682).Soghoyan G., Ledovsky A., Nekrashevich, Martynova M., Polikanova O., Portnova I., et al. A Toolbox and Crowdsourcing Platform for Automatic Labeling of Independent Components in Electroencephalography. Frontiers in neuroinformatics. 2021. 15: 720229.Terhaar J., Viola F.C., Bär K.J., Debener S. Heartbeat evoked potentials mirror altered body perception in depressed patients. Clinical neurophysiology: official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 2012. 123 (10): 1950–1957.Zaccaro A., Perrucci M.G., Parrotta E., Costantini M., Ferri F. Brain-heart interactions are modulated across the respiratory cycle via interoceptive attention. NeuroImage. 2022. 262: 119548.