Study of the Role of Resonance Phenomena in Brain Responses to Rhythmic Photos stimulation with Linearly Increasing Frequency

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The issue of the mechanisms underlying brain responses to rhythmic photos stimulation is characterized by contradictory opinions. To identify the mechanisms of rhythmic photos stimulation, it is necessary to analyze individual spectra using the most detailed set of stimulation frequencies. In this paper, in order to assess the role of resonance phenomena in the effects of rhythmic photos stimulation, an analysis of the fine structure of individual EEG spectra was performed during rhythmic photos stimulation, the frequency of which smoothly increases linearly from 1 to 20 Hz. It was found that within each of the main EEG frequency ranges (delta, theta, alpha and beta), discrete sections of the individual EEG spectrum are detected that are resonantly activated in the subject when the stimulation frequency or its harmonics coincide with their natural frequency. The basic role of resonance mechanisms is demonstrated when considering the advantages of resonance scanning - a promising version of rhythmic photos stimulation, in which the stimulation parameters are set programmatically with a step-by-step increase in frequency.

About the authors

A. I Fedotchev

Institute of Cell Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: fedotchev@mail.ru
Pushchino, Russia

References

  1. Дик О. Е. и Ноздрачев А. Д. Динамика паттернов электрической активности мозга при нарушениях его функционального состояния. Успехи физиол. наук, 51 (2), 68–87 (2020). doi: 10.31857/S0301179820020046
  2. Regan D. Human brain electrophysiology: evoked potentials and evoked magnetic fields in science and medicine (Elsevier, New York, 1989).
  3. Xu D., Tang F., Li Y., Zhang Q., and Feng X. An analysis of deep learning models in SSVEP-based BCI: A survey. Brain Sci., 13 (3), 483 (2023). doi: 10.3390/brainsci13030483
  4. Святогор И. А., Дик О. Е., Ноздрачев А. Д. И Гусева Н. Л. Анализ изменений ЭЭГ-паттернов в ответ на ритмическую фотостимуляцию при различных нарушениях функционального состояния центральной нервной системы. Физиология человека, 41 (3), 41–49 (2015). doi: 10.7868/S0131164615030170
  5. Федотчев А. И. Эффекты фотостимуляции, управляемой ЭЭГ человека. Биофизика, 64 (2), 358–361 (2019). doi: 10.1134/S0006302919020157
  6. Резникова Т. Н., Селиверстова Н. А., Дик О. Е. и Святогор И. А. Оценка психофизиологического состояния у пожилых лиц с умеренными когнитивными нарушениями при сенсорных импульсных стимуляциях. Психическое здоровье, 9, 12–18 (2020). doi: 10.25557/2074-014X.2020.09.12-18
  7. Зуева М. В., Котелин В. И., Нероева Н. В., Фадеев Д. В. и Манько О. М. Проблемы и перспективы новых методов световой стимуляции в зрительной реабилитации. Сенсорные системы, 37 (2), 93–118 (2023). doi: 10.31857/S0235009223020075
  8. Herrmann C. S. Human EEG responses to 1-100 Hz flicker: resonance phenomena in visual cortex and their potential correlation to cognitive phenomena. Exp. Brain Res., 137 (3–4), 346–353 (2001). doi: 10.1007/s002210100682
  9. Федотчев А. И. Фотоиндуцированные резонансные явления в ЭЭГ человека как функция частоты, интенсивности и длительности стимуляции. Биофизика, 46 (1), 112–117 (2001).
  10. Heinrichs-Graham E. and Wilson T.W. Presence of strong harmonics during visual entrainment: a magnetoencephalography study. Biol. Psychol., 91 (1), 59–64 (2012). doi: 10.1016/j.biopsycho.2012.04.008
  11. Helfrich R. F., Breska A., and Knight R. T. Neural entrainment and network resonance in support of top-down guided attention. Curr. Opin. Psychol., 29, 82–89 (2019). doi: 10.1016/j.copsyc.2018.12.016
  12. Herrmann C. S., Murray M. M., Ionta S., Hutt A., and Lefebvre J. Shaping intrinsic neural oscillations with periodic stimulation. J. Neurosci., 36 (19), 5328–5337 (2016). doi: 10.1523/JNEUROSCI.0236-16.2016
  13. Туровский Я. А., Борзунов С. В., Суровцев А. С., Зайцев С. А. и Коновской А. С. Моделирование формирования устойчивых зрительных вызванных потенциалов при разных частотах фотостимуляции. Биофизика, 64 (2), 350–357 (2019). doi: 10.1134/S0006302919020145
  14. Oppermann H., Thelen A., and Haueisen J. Single-trial EEG analysis reveals burst structure during photic driving. Clin. Neurophysiol., 159, 66–74 (2024). doi: 10.1016/j.clinph.2024.01.005
  15. Федотчев А. И., Бондарь А. Т. и Семёнов В. С. Нелекарственная коррекция функциональных расстройств у человека. Принцип двойной обратной связи от ЭЭГ осцилляторов пациента (LAP Lamberts Acad. Publ., Saarbrucken, 2010).
  16. Zhang G., Cui Y., Zhang Y., Cao H., Zhou G., Shu H., Yao D., Xia Y., Chen K., and Guo D. Computational exploration of dynamic mechanisms of steady state visual evoked potentials at the whole brain level. Neuroimage, 15, 237, 118166 (2021). doi: 10.1016/j.neuroimage.2021.118166
  17. Leuchter A. F., Wilson A. C., Vince-Cruz N., and Corlier J. Novel method for identification of individualized resonant frequencies for treatment of major depressive disorder (MDD) using repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS): A proof-of-concept study. Brain Stimul., 14 (5), 1373–1383 (2021). doi: 10.1016/j.brs.2021.08.011
  18. Меркульева Н. С. Нейрофизиология восприятия мелькающего света. Успехи физиол. наук, 53 (4), 91–104 (2022). doi: 10.31857/S030117982204004X
  19. Савчук Л. В., Полевая С. А., Парин С. Б., Бондарь А. Т. и Федотчев А. И. Резонансное сканирование и анализ ЭЭГ при определении зрелости корковой ритмики у младших школьников. Биофизика, 67 (2), 354–361 (2022). doi: 10.31857/S0006302922020181
  20. Федотчев А. И. О роли прайминга в развитии современных реабилитационных технологий. Биофизика, 69 (2), 399–403 (2024). doi: 10.31857/S0006302924020231

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).