Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга.

Номер контракта: 14.578.21.0074

Руководитель: Казанцев Виктор Борисович

Должность: Проректор по научной работе и инновациям, зав.каф. нейротехнологий

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
оптоэлектронные устройства, нейрокогнитивные модели, микрочипы, системы нейропротезирования, электровозбудимые ткани, оптический канал, печатные платы, нейроонкология, нейрон, синапс

Цель проекта:
1. Разработка перспективных устройств обработки информации, воспроизводящих информационно-вычислительные функции мозга или основанных на интерфейсе с нейронами мозга. 2. Проект предполагает разработку нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга, основанной на искусственных генераторах, воспроизводящих активность живых нейронов, канала передачи информации с использованием оптоволоконных технологий и активных лазерных систем, имитирующих синаптические взаимодействия в мозге, оптоэлектронных интерфейсов с живыми возбудимыми биотканями (нейроны мозга).

Основные планируемые результаты проекта:
1. Исследования по проекту призваны обеспечить получение значимых научных результатов и инженерно-технических решений в области сопряжения технических устройств с живыми нейронами мозга (срезами мозга, культурами нейронов). В рамках реализации данного проекта также предполагается разработать методы применения нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга для интраоперационной диагностики границ глиальных опухолей мозга. Будут сформулированы вновь разработанные технические принципы построения оптоэлектронных систем для создания нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга. Планируется разработка и исследование математической модели блока генерации нейроподобных колебаний и математической модели оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта. Для изучения ответа нейронной сети на внеклеточную электрическую стимуляцию будет создана математическая модель нейронных сетей мозга. Для построения экспериментальных макетов будет разработана компьютерная модель схемотехнического решения блока генерации нейроподобных колебаний. В рамках проекта планируется разработать метод сопряжения технических оптоэлектронных систем с живыми нейронами мозга. Будет сформулирован алгоритм определения границ глиальных опухолей головного мозга при помощи нейрокогнитивной оптоэлектронной системы и на его основе разработан метод применения оптоэлектронных систем в оценке границ глиальных опухолей мозга. Все предложенные алгоритмы и методы будут исследованы экспериментально при помощи разработанных макетов и экспериментального образца. На основании проведенных исследований будут выдвинуты предложения по созданию перспективных оптоэлектронных комплексов на основе технологий сопряжения живых нейронов мозга с техническими объектами.
2. Математическая модель блока генерации нейроподобных колебаний должна быть предназначена для теоретического исследования влияния параметров блока на характеристики выходных колебаний и определения границ существования различных динамических режимов (возбудимый, автоколебательный). Математическая модель оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта, должна быть предназначена для теоретического исследования влияния параметров блока на характеристики выходных сигналов. Математическая модель нейронных сетей мозга должна быть предназначена для теоретического исследования динамики сигнализации нейронной сети и изучения ответа, генерируемого в нейронной сети, на внеклеточную электрическую стимуляцию. Компьютерная модель схемотехнического решения блока генерации нейроподобных колебаний должна быть предназначена для разработки электрической схемы блока, подбора и согласования узлов для технической реализации, а также для исследования выходных колебаний и влияния характеристик узлов на выходные колебания. Метод сопряжения технической оптоэлектронной системы с живыми нейронами мозга должен быть предназначен для определения требований к технической оптоэлектронной системе и характеристикам выходных сигналов системы, а также определять последовательность действий для обеспечения возможности сопряжения с живыми нейронами мозга. Алгоритм определения границ глиальных опухолей головного мозга при помощи нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга должен быть предназначен для определения последовательность действий и требований к сигналам нейрокогнитивной оптоэлектронной системы для определения границ глиальных опухолей головного мозга. Разрабатываемый для проверки теоретических предположений и сформулированных алгоритмов экспериментальный образец нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга должен иметь возможность сопряжения с живыми нейронами мозга (клеточными культурами нейронов мозга и срезами мозга) посредством оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта и должен иметь возможность проведения оценки границ глиальных опухолей головного мозга.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта, станут оптоэлектронные устройства для создания интерфейсов с живыми нейронами мозга – нейропротезы. Другое возможное применение – интеллектуальные системы автоматического управления, вычислительные системы, воспроизводящие принципы обработки информации мозгом. Разработанные методы и технические результаты найдут свое применение для создания операционного оборудования для определения границ удаляемых глиальных опухолей.
2. Разрабатываемые научные и технические решения будут соответствовать ведущим достижениям в международной науке. Используемые методики находятся на уровне ведущих мировых лабораторий и используются на современном экспериментальном оборудовании.
3. Разработка перспективных устройств обработки информации, воспроизводящих информационно-вычислительные функции мозга или основанных на интерфейсе с нейронами мозга, становится в настоящее время одним из прорывных направлений современной науки и технологий. Своевременность решения данных задач обусловлена, с одной стороны, успехами современной нейронауки, позволяющей получать данные о процессах, происходящих на уровне сетевой организации клеток мозга, и, с другой стороны, развитием технологий создания электронных микрочипов, лазеров и волоконно-оптических каналов связи. На сегодняшний день известны работы, посвященные разработке искусственных нейроподобных систем, однако данные работы не претендуют на разработку интерфейса с живыми нейронами. Известны работы в области оптогенетики – внешнего воздействия на живые нейроны мозга при помощи оптической стимуляции светочувствительных каналов, для появления которых необходима генетическая модификация биологических тканей, которая не потребуется для применения решений, разрабатываемых в данном проекте. Другим прорывным направлением, разрабатываемом в проекте может стать метод детектирования границ глиальных опухолей головного мозга при помощи нейрокогнитивной оптоэлектронной системы, основанный на одновременной регистрации как оптической информации о состоянии тканей, так и электрофизиологических особенностей опухолевых тканей.
4. Для достижения сформулированных в проекте целей и поставленных задач потребуется применить междисциплинарный подход с привлечением современных высокотехнологических методов и новых решений.
Основные пути достижения результатов:
Для теоретических исследований будут применяться современные методы теории нелинейных колебаний и бифуркационного анализа с применением методов высокопроизводительных компьютерных вычислений. При разработке методов взаимодействия с живыми нейронами мозга на примере переживающих срезов гиппокампа и нейронных культур, выращенных на мультиэлектродных подложках, будут применяться передовые методы электрофизиологии и многоканальной регистрации, а также современные методы обработки сигналов и корреляционного анализа. Для разработки методов детектирования границ глиальных опухолей головного мозга будут использованы новейшие достижения в практической нейроонкологии и нейрохирургии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Разработка перспективных устройств обработки информации, воспроизводящих информационно-вычислительные функции мозга или основанных на интерфейсе с нейронами мозга, становится в настоящее время одним из прорывных направлений современной науки и технологий. Это связано, прежде всего, с перспективными медицинскими приложениями – созданием искусственных нейрочипов-имплантов, оптоэлектронных интерфейсов воздействия на клетки мозга, устройств управления протезами. Другим актуальным направлением является приложение таких устройств к информационно-телекоммуникационным задачам – интеллектуальным системам автоматического управления и синхронизации, системам распознавания, кодирования и декодирования информации.
2. Целью реализуемого проекта является разработка нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации активности нейронов мозга и искусственных оптоэлектронных устройств для мониторинга активности мозга и фотоэлектрической стимуляции возбудимых биотканей. Такая система будет использоваться в биомедицинских технологиях построения оптоэлектронных интерфейсов нейроуправления и нейропротезирования, а также для создания оптоэлектронных вычислительных комплексов, воспроизводящих принципы обработки информации мозгом. Разработанные технологии найдут применение в медицинском приборостроении для нейроонкологии в качестве базиса для аппаратного интраоперационного определения границ глиальных опухолей головного мозга.
3. Результаты проекта найдут свое активное применение в нескольких областях науки и техники. Во-первых, в современных вычислительных системах и системах обработки информации, за счет построения устройств, реализующих принципы обработки информации мозгом. Во-вторых, в современных биомедицинских технологиях при создании интерфейсов нейроуправления и нейропротезирования, а также устройств для детектирования границ глиальных опухолей головного мозга, что позволит снизить урон от социально значимых заболеваний и улучшить качество жизни пациентов с нарушениями нейрональных функций.
4. При выполнении проекта будут реализованы мероприятия по демонстрации полученных результатов и популяризации науки, в том числе:
- Публикация научных статей в российских и международных рецензируемых изданиях с описанием результатов, методов и технологий, полученных при выполнении проекта.
- Публикация результатов проекта в научно-популярных изданиях и в общедоступных СМИ.
- Участие членов творческого коллектива в семинарах, симпозиумах, выставках, конференциях, в том числе международных.

Текущие результаты проекта:
1) Проведен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты) – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 - 2014 гг.;
2) Проведены патентные исследования в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
3) Произведен выбор и обоснование направления исследований и способов решения поставленных задач.
4) Разработана математическая модель блока генерации нейроноподобных колебаний;
5) Разработана математическая модель оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта.
6) Разработаны технические принципы построения оптоэлектронных систем для создания НКОЭС стимуляции и синхронизации нейронов мозга.
7) Разработана математическая модель нейронных сетей мозга.
8) Разработана компьютерная модель схемотехнического решения блока генерации нейроподобных колебаний.
9) Разработан алгоритм оценки границ глиальных опухолей головного мозга при помощи НКОЭС стимуляции и синхронизации нейронов мозга.
10) Разработан и изготовлен макет блока генерации нейроподобных колебаний.
11) Разработан и изготовлен макет оптоэлектронного блока, воспроизводящего динамику синаптического контакта.
12) Проводится разработка метода сопряжения технических оптоэлектронных систем с живыми нейронами мозга.
13) Выполняется разработка метода применения нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга в оценке границ глиальных опухолей мозга.
14) Производится разработка и изготовление экспериментального образца нейрокогнитивной оптоэлектронной системы стимуляции и синхронизации нейронов мозга.
15) Опубликованы 3 статьи в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus. Подана заявка на регистрацию РИД.