RAS PhysiologyФизиология человека Human Physiology

  • ISSN (Print) 0131-1646
  • ISSN (Online) 3034-6150

The Dynamics of the Baseline Brain State Vary Among Different Subjects Under the Influence of Cognitive Tests and Blood Glucose Levels Changes

PII
S30346150S0131164625040082-1
DOI
10.7868/S3034615025040082
Publication type
Article
Status
Published
Authors
Volume/ Edition
Volume 51 / Issue number 4
Pages
110-128
Abstract
Based on individualized resting EEG analysis, we studied how changes in blood glucose levels as well as performance of a cognitive task affect the background brain state. Twenty-four healthy adults aged 18–35 performed a word classification test twice: once in a fasting state and once after glucose intake. EEG recordings were analyzed in resting-state conditions with eyes closed (EC) and eyes open (EO), before and after the test at each stage. Changes in integral parameters derived from the structural function of multichannel EEG were evaluated. These parameters served as measures of the spatial (pS) and temporal (pT) organization of EEG activity. Individual analysis revealed significant changes in pT and pS parameters in all participants due to increased glucose levels and the cognitive task, with a significant interaction effect between these factors. Group-averaged results masked these effects due to the variability in individual responses. On an individual level, performing the cognitive test after glucose intake led to a significant increase in pS for most participants, indicating higher differentiation and reduced spatial coherence of EEG processes. This was accompanied by a significant linear correlation between the increase in pS and the reduction in reaction time, suggesting heightened CNS activation. This effect was more pronounced in the eyes-open condition than with eyes closed. A positive correlation between fasting blood glucose levels and pT values was found. After the test, a tendency for pT to increase—reflecting reduced temporal coherence and potentially indicating enhanced functional flexibility of neural processes—was observed. The proposed method for calculating integral parameters that characterize spatial and temporal coherence in multichannel EEG can be used to monitor and study changes in the brain’s functional state during cognitive activity and the effects of substances affecting brain metabolism.
Keywords
фоновая ЭЭГ интегральные параметры многоканальной ЭЭГ глюкоза когнитивная нагрузка
Date of publication
01.08.2025
Year of publication
2025
Number of purchasers
0
Views
43

References

  1. 1. Цицерошин М.Н., Шеповальников А.Н. Становление интегративной функции мозга. СПб.: Наука, 2009. 209 с.
  2. 2. Муртазина Е.П., Гинзбург-Шик Ю.А. Спектральные характеристики тетаи альфаритмов ЭЭГ в покое у групп испытуемых с различной результативностью совместной деятельностью в диадах // Журн. высш. нерв. деят. им. И.П. Павлова. 2023. Т. 73. № 1. С. 24.
  3. 3. Клочкова О.И., Шабанов Г.А. Сеансовая динамика изменений биоэлектрической активности мозга при интеллектуальной работе за компьютером // Национальный психологический журнал. 2020. № 1 (37). С. 78.
  4. 4. Seghier M., Price C. Interpreting and utilising intersubject variability in brain function // Trends Cogn. Sci. 2018. V. 22. № 6. P. 517.
  5. 5. Лебедева Н.Н., Каримова Е.Д. Устойчивость паттернов ЭЭГ в различных задачах: проблема аутентификации личности // Журн. высш. нерв. деят. им. И.П. Павлова. 2020. Т. 70. № 1. С. 40.
  6. 6. Haier R.J., Siegel B.V. Jr., MacLachlan A. et al. Regional glucose metabolic changes after learning a complex visuospatial/motor task: A positron emission tomographic study // Brain Res. 1992. V. 570. № 1–2. P. 134.
  7. 7. Shestov A.A., Emir U.E., Kumar A. et al. Simultaneous measurement of glucose transport and utilization in the human brain // Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2011. V. 301. № 5. P. E1040.
  8. 8. Peters R., White D., Cleeland C., Scholey A. Fuel for Thought? A Systematic review of neuroimaging studies into glucose enhancement of cognitive performance // Neuropsychol. Rev. 2020. V. 30. № 2. P. 234.
  9. 9. Hosang Th., Laborde S., Low A. et al. How attention changes in response to carbohydrate mouth rinsing // Nutrients. 2023. V. 15. № 13. P. 3053.
  10. 10. Liu J., Yamashiro K., Ikegaya Y. Glucose intake improves executive attention // Intern. J. Learn. Teach. 2022. V. 8. № 2. P. 136.
  11. 11. Knott V., Messier C., Mahoney C., Gagnon M. Glucose and and glucoregulatory modulation of memory scanning, event-related potentials and EEG in elderly subjects // Neuropsychobiology. 2001. V. 44. № 3. P. 156.
  12. 12. Messier C., Awad-Shimoon N., Gagnon M. et al. Glucose regulation is associated with cognitive performance in young nondiabetic adults // Behav. Brain Res. 2011. V. 222. № 1. P. 81.
  13. 13. An Y.J., Jung Ki-Y., Kim S.M. et al. Effects of blood glucose levels on resting-state EEG and attention in healthy volunteers // J. Clin. Neurophysiol. 2015. V. 32. № 1. P. 51.
  14. 14. Smith M.A., Riby L.M., Eekelen J.A.M. et al. Glucose enhancement of human memory: A comprehensive research review of the glucose memory facilitation effect // Neurosci. Biobehav. Rev. 2011. V. 35. № 3. P. 770.
  15. 15. Ivanov V.A., Kruchinina O.V., Chiligina Y.A., Galpe-rina E.I. Selectivity for “Non-Food” versus “Food” nouns is increased in healthy adults in response to elevated peripheral blood glucose levels as indicated by event-related potentials (ERPs) // J. Evol. Bioch. Physiol. 2024. V. 60. № 6. P. 2369.
  16. 16. Hoffman L.D., Polich J. EEG, ERPs and food consumption // Biol. Psychol. 1998. V. 48. № 2. P. 139.
  17. 17. Долгополов И.С., Рыков М.Ю. Персонифицированная медицина: современные тенденции и перспективы // Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2022. V. 67. № 4. P. 14.
  18. 18. Гаврон А.А., Araujo Y.I.D., Шарова Е.В. и др. Групповой и индивидуальный фМРТ-анализ основных сетей покоя здоровых испытуемых // Журн. высш. нерв. деят. им. И.П. Павлова. 2019. Т. 69. № 2. С. 150.
  19. 19. Kurgansky A.V., Lomakin D.I., Machinskay R.I. Resting-state networks in adolescents with poor behavior regulation. An analysis of effective cortical connectivity in EEG source space // Ж. высш. нерв. деят. им. И.П. Павлова. 2020. Т. 70. № 6. C. 723.
  20. 20. Babiloni C., Barry R.J., Başar E. et al. International Federation of Clinical Neurophysiology (IFCN) – EEG research workgroup: Recommendations on frequency and topographic analysis of resting state EEG rhythms. Part 1: Applications in clinical research studies // Clin. Neurophysiol. 2020. V. 131. № 1. P. 285.
  21. 21. Walker Ch., Buse J. B., Frohlich F. Experimental increase of blood glucose alters resting state EEG measures of excitation–inhibition balance // Exp. Physiol. 2021. V. 106. № 4. P. 803.
  22. 22. Mahjoory K., Nikulin V.V., Botrel L. et al. Consistency of EEG source localization and connectivity estimates // Neuroimage. 2017. V. 152. P. 590.
  23. 23. Davoudi M., Pourshahbaz A., Dolatshahi B. et al. Network analysis for predicting treatment response in patients with obsessive-compulsive disorder // Iran J. Psychiatry Behav. Sci. 2023. V. 17. № 4. P. e137119.
  24. 24. Lau Z., Pham T., Chen A., Makowski D. Brain entropy, fractal dimensions and predictability: A review of complexity measures for EEG in healthy and neuropsychiatric populations // Eur. J. Neurosci. 2022. V. 56. № 7. P. 5047.
  25. 25. Wang Y., Li J., Zeng l. et al. Open eyes increase neural oscillation and enhance effective brain connectivity of the default mode network: Resting-state electroencephalogram research // Front. Neurosci. 2022. V. 16. P. 861247.
  26. 26. Chen J.J., Herman P., Keilholz Sh., Thompson G.J. Editorial: Origins of the resting-state fMRI signal // Front. Neurosci. 2020. V. 14. P. 594990.
  27. 27. Burroni J., Taylor P., Corey C. et al. Energetic constraints produce self-sustained oscillatory dynamics in neuronal networks // Front. Neurosci. 2017. V. 11. P. 80.
  28. 28. Palombit A., Silvestri E., Volpi T. et al. Variability of regional glucose metabolism and the topology of functional networks in the human brain // NeuroImage. 2022. V. 257. P. 119280.
  29. 29. Volpi T., Silvestri E., Aiello M. et al. The brain's "dark energy" puzzle: How strongly is glucose metabolism linked to resting-state brain activity? // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2024. V. 44. № 8. P. 1433.
  30. 30. Lum J.A.G., Byrne L.K., Barhoun P. et al. Resting state electroencephalography power correlates with individual differences in implicit sequence learning // Eur. J. Neurosci. 2023. V. 58. № 3. P. 2838.
  31. 31. Цицерошин М.Н., Гальперина Е.И. Коррелятивное формирование функций как один из механизмов функциональной эволюции (на примере становления в онтогенезе ребенка центрального обеспечения стереогноза и функции речи) // Журн. эволюционной биохимии и физиологии человека 2012. Т. 48. № 3. C. 296.
  32. 32. Кручинина О.В., Станкова Е.П., Гальперина Е.И. Возрастные особенности пространственно-временной организации ЭЭГ у испытуемых 8–30 лет мужского и женского пола при восприятии устных и письменных текстов // Физиология человека. 2020. Т. 46. № 3. С. 15.
  33. 33. Трифонов М.И., Панасевич Е.А. Прогнозирование успешности когнитивной деятельности на основе интегральных характеристик ЭЭГ // Физиология человека. 2018. Т. 44. № 2. C. 103.
  34. 34. Рожков В.П., Трифонов М.И., Сороко С.И. Контроль функционального состояния мозга на основе оценки динамики интегральных параметров многоканальной ЭЭГ у человека в условиях гипоксии // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 1. C. 5.
  35. 35. Ливанов М.Н. Пространственная организация процессов головного мозга. М.: Наука, 1972. 181 с.
  36. 36. Ухтомский А.А. Собрание сочинений. Т. 2. Парабиоз, физиологическая лабильность, усвоение ритма. Л.: ЛГУ, 1951. 180 с.
  37. 37. Доскин В.А., Лаврентьева Н.А., Мирошников М.П., Шарай В.Б. Тест дифференциальной самооценки функционального состояния // Вопросы психологии. 1973. № 6. С. 141.
  38. 38. Trifonov M.I. The structure function as new integral measure of spatial and temporal properties of multichannel EEG // Brain Inform. 2016. V. 3. № 4. P. 211.
  39. 39. Рожков В.П., Трифонов М.И., Бурых Э.А., Сороко С.И. Оценка индивидуальной устойчивости человека к острой гипоксии по интегральным характеристикам структурной функции многоканальной ЭЭГ // Росс. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2019. Т. 105. № 7. С. 832.
  40. 40. Трифонов М.И., Панасевич Е.А. Лонгитюдное исследование внутрииндивидуальной вариативности интегральных параметров структурной функции многоканальной ЭЭГ // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 2. С. 28.
  41. 41. Гальперина Е.И., Кручинина О.В., Рожков В.П. Общее и индивидуальное в организации пространственных взаимосвязей корковых процессов у подростков при вербально-мнестической деятельности // Сенсорные системы. 2014. Т. 28. № 3. С. 16.
  42. 42. Shirer W.R., Ryali S., Rykhlevskaia E. et al. Decoding subject-driven cognitive states with whole-brain connectivity patterns // Cereb. Cortex. 2012. V. 22. № 1. P. 158.
  43. 43. Opstal A.M., Hafkemeijer A., van den Berg-Huysmans A.A. et al. Brain activity and connectivity changes in response to glucose ingestion // Nutr. Neurosci. 2020. V. 23. № 2. P. 110.
  44. 44. Almeneessier A.S., BaHammam A.A., Olaish A.H. et al. Effects of diurnal intermittent fasting on daytime sleepiness reflected by EEG absolute power // J. Clin. Neurophysiol. 2019. V. 36. № 3. P. 213.
  45. 45. Parent M.B., Krebs-Kraft D.L., Ryana J.P. et al. Glucose administration enhances fMRI brain activation and connectivity related to episodic memory encoding for neutral and emotional stimuli // Neuropsychol. 2011. V. 49. № 5. P. 1052.
  46. 46. Lord L.D., Expert P., Huckins J.F., Turkheimer F.E. Cerebral energy metabolism and the brain's functional network architecture: An integrative review // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2013. V. 33. № 9. P. 1347.
  47. 47. Betzel R.F., Fukushima M., He Y. et al. Dynamic fluctuations coincide with periods of high and low modularity in resting-state functional brain networks // Neuroimage. 2016. V. 127. P. 287.
  48. 48. Yu Q., Erhardt E.B., Sui J. et al. Assessing dynamic brain graphs of time-varying connectivity in fMRI data: application to healthy controls and patients with schizophrenia // Neuroimage. 2015. V. 107. P. 345.
  49. 49. Garrett D.D., Kovacevic N., McIntosh A.R., Grady C.L. The importance of being variable // J. Neurosci. 2011. V. 31. № 12. P. 4496.
  50. 50. Данько С.Г. Об отражении различных аспектов активации мозга в электроэнцефалограмме: что показывает количественная электроэнцефалография состояний покоя с открытыми и закрытыми глазами // Физиология человека. 2006. Т. 32. № 4. С. 5.
  51. 51. Mohamed Z., Halaby M.E., Said T. et al. Characterizing focused attention and working memory using EEG // Sensors. 2018. V. 18. № 11. P. 3743.
QR
Translate

Индексирование

Scopus

Scopus

Scopus

Crossref

Scopus

Higher Attestation Commission

At the Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Scopus

Scientific Electronic Library