Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка оптических методов исследования функционирования мозга в норме и патологии

Докладчик: Семьянов Алексей Васильевич

Должность: руководитель нейронаучного центра

Цель проекта:
Разработка оптических и генетических методов в области нейробиологии, биотехнологии, биоинженерии и биомедицины для исследования функционирования мозга в норме и патологии.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИЭР должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1. Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИЭР, содержащие:
а) аналитический обзор научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) описание технических принципов оптической системы высокого разрешения;
г) обобщение и выводы по результатам ПНИЭР.
2. Вновь разработанные технические принципы оптической системы высокого разрешения.
Принципы оптической системы высокого разрешения основаны на методах, изложенных в публикациях ведущих мировых лабораторий, применяющих опыт создания собственных установок.
3. Метод построения оптического пути для системы высокого разрешения.
Данный метод вырабатывается в результате анализа архитектуры микроскопов ведущих фирм-производителей, а также самостоятельных разработок ведущих лабораторий мира.
4. Математический алгоритм управления оптической системы высокого разрешения.
Алгоритм управления оптической системой представляет собой совокупность уникальных принципов обработки и деконволюции получаемого флуоресцентного сигнала с детекторов (фотоумножителей), пропорционального скорости сканирования резонансного гальванометрического сканера.
5. Программа ЭВМ для анализа экспериментальных данных.
Программа, самостоятельно написанная на одном из популярных языков программирования, для анализа и обработки полученных данных. Имеющийся опыт создания аналогичных программ позволяет достоверно интерпретировать полученные данные путём применения известных алгоритмов обработки.
6. Протокол совмещения в одной фокальной плоскости стимулирующего и сканирующего двухфотонных лазеров.
Совмещение фокальных плоскостей двух лазеров необходимо для корректного проведения имиджинговых экспериментов in vitro и in vivo.
7.Программное обеспечение для управления резонансным сканером, направляющим луч сканирующего двухфотонного лазера.
Программа, самостоятельно написанная на одном из популярных языков программирования, для управления резонансным сканером может являться как самостоятельной программой (аналогично программам для управления акусто-оптическим модулятором), так и частью пакета управления всей системой. Данное программное обеспечение может являться универсальным для работы с различными резонансными гальванометрическими сканерами и быть коммерчески доступным для других лабораторий. Важно отметить повышенный интерес научного сообщества к программному обеспечению, созданного не крупными фирмами-производителями научного оборудования мирового уровня, а членами научных групп, непосредственно занимающимися с анализом, обработкой и корректной интерпретацией полученных экспериментальных данных.
8. Оптическая система высокого разрешения, включающая в себя два двухфотонных лазера и высокоскоростные резонансные сканеры.
Самостоятельно построенная двухфотонная система позволит направленно улучшить свойства микроскопа при значительно более низкой стоимости (по сравнению с коммерчески доступными микроскопами). Данные улучшения показаны всеми мировыми лабораториями, которые применяют самостоятельно построенные системы для экспериментальной работы. Применение самостоятельно построенной системы в Нижнем Новгороде позволит не только снизить затраты, увеличить эффективность исследований, но и заявить о высоком уровне российской науки на мировом уровне.
9. Протокол генотипирования трансгенных животных методом полимеразной цепной реакции (ПЦР).
Разработанный совместно с зарубежными коллегами протокол генотипирования трансгенных животных позволит работать с животными для проведения имиджинговых исследований на базе самостоятельно сконструированной двухфотонной системы.
10. Метод создания и разведения трансгенных животных, несущих генетически-закодированные индикаторы и оптогенетические маркеры;
11. Протокол оптической стимуляции in vivo и in vitro с использованием животных с оптогенетическими маркерами.
Создание вирусов для лабораторных животных и генная модификация при помощи оптогенетических методов, осваиваемых в рамках сотрудничества с зарубежными партнёрами, позволит создавать протоколы оптической стимуляции как in vivo, так и in vitro.
12. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики.
Квалифицированные члены научной группы, постоянно расширяющие свои навыки путём прохождения практических стажировок в ведущих научных лабораториях мира, а также сотрудничество с ведущими учёными и лабораториями, постоянный мониторинг научных публикаций, успешный опыт предыдущих исследований, позволяют говорить о высокой вероятности успеха завершения проекта в указанные временные рамки. Успешный опыт применения самостоятельно разаработынных систем в экспериментальных исследованиях мировыми ведущими лабораториями позволяет также говорить об успехе планируемого к реализации проекта.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Важным звеном проведения комплексного изучения мозга является разработка оптических методов регистрации получаемых сигналов, в частности двухфотонной микроскопии. Одним из подходов для улучшения качества двухфотонной микроскопии является оптимизация оптической схемы и элементов микроскопа. Данный метод очень ресурсозатратный, однако самостоятельная сборка двухфотонной системы позволит направленно улучшить свойства микроскопа при значительно более низкой стоимости (по сравнению с коммерчески доступными микроскопами). Это позволит увеличить качество и скорость исследований мозга в нормальных и патологических условиях, что является критичным условием для изучения структуры мозга со всей сложностью сетей в реальные сроки.
Порядка 10 ведущих мировых лабораторий применяют данный подход для улучшения уровня исследований: под руководством Arthur Konnerth, Karel Svoboda, Nelson Spruston, Berd Kuhn и другие.
Средняя приблизительная стоимость коммерчески доступных систем (без лазера): 30 – 40 млн. руб.
Приблизительная стоимость предполагаемой к разработке системы (без лазера): 10 – 15 млн. руб.
Внедрение системы может осуществляться путём продажи ПО для работы с системой, а также самой двухфотонной системы российским лабораториям и зарубежным партнёрам.

Текущие результаты проекта:
Работы, проведённые в отчётном периоде:
За счёт средств субсидии:
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР;
Выбор и обоснование направления исследований и способов решения поставленных задач;
За счёт внебюжетных средств:
Материально-техническое обеспечение ПНИЭР.

Работы, планируемые к завершению в отчётном периоде:
За счёт средств субсидии:
Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96;
Разработка технических принципов оптической системы высокого разрешения.
За счёт внебюджетных средств:
Материально-техническое обеспечение ПНИЭР.