Кафедра нейротехнологий Института биологии и биомедицины

Общая информация

В 2005 году на биологическом факультете ННГУ им. Н.И. Лобачевского появилась новая кафедра — кафедра нейродинамики и нейробиологии (полное название: межфакультетская базовая кафедра нейродинамики и нейробиологии ННГУ в ИПФ РАН). Заведующим кафедрой стал молодой доктор физико-математических наук Казанцев Виктор Борисович. Несмотря на то, что кафедра формально относилась к биологическому факультету, круг междисциплинарных научных задач, стоявших перед ней, требовал активного сотрудничества со специалистами других факультетов и институтов.

Кафедра объединила студентов, аспирантов и специалистов биологического и радиофизического факультетов, высшей школы общей и прикладной физики ННГУ, а также института прикладной физики РАН. Активность кафедры была сфокусирована на фундаментальных проблемах современной науки о мозге, связанных с применением современных экспериментальных методов электрофизиологической регистрации и флуоресцентного имиджинга, разработкой и исследованием моделей клеточной активности, сетей и функциональных систем мозга; развитием прикладных технологий медицинской диагностики и лечения заболеваний мозга; созданием нового класса информационных систем, использующих принципы работы мозга.

В 2006 году по инициативе Семьянова Алексея Васильевича, успешно работающего за рубежом российского ученого, в ННГУ была открыта так называемая «зеркальная лаборатория», построенная по комплементарному принципу с лабораторией внесинаптической нейропередачи института мозга РИКЕН (Япония), которую в то время возглавлял Алексей Васильевич. Это позволило Нижегородским ученым выйти на новый уровень исследований в области клеточной нейробиологии и успешно взаимодействовать с зарубежными коллегами. Впоследствии лаборатория вошла в состав лабораторий Нижегородского нейронаучного центра.

В это же время укреплялось сотрудничество кафедры с лабораторией клеточных технологий и центральной научно-исследовательской лабораторией в Нижегородской государственной медицинской академии (НижГМА) под руководством профессора, доктора биологических наук Мухиной Ирины Васильевны. В ходе этого взаимодействия были успешно выполнены несколько научных проектов, направленных на разработку методов регистрации, анализа и сопряжения активности нейрональных культур мозга с мультиэлектродными матрицами для создания физиологических микросенсорных систем. Сотрудничество кафедры с лабораториями НижГМА и сейчас является плодотворной основой для решения широкого круга прикладных задач современной нейронауки. Научные результаты развивающейся кафедры стали вскоре заметны как на российской, так и на международной научной сцене. Кафедра планомерно расширяла спектр охватываемых задач и направлений исследований.

В тесной связи с научными исследованиями кафедра успешно осуществляла подготовку специалистов высокой квалификации в области нейробиологии и нейротехнологий. В 2010 университет в лице кафедры стал одним из центров Национальной сети аспирантур по биотехнологиям в нейронауках (БиоН), организованной при финансовой поддержке гранта программы Tempus IV. БиоН представляет собой первую российскую национальную сеть аспирантур в области естественных наук и, в более широком смысле, площадкой для развития сетевых инновационных методов образования в области нейробиотехнологий в России. В рамках программы БиоН был сформирован научно-образовательный консорциум, состоящий из университетов и научно-исследовательских институтов РАН. Одним из результатов выполнения проекта в 2011 году стало проведение школы для молодых ученых «На пути к нейроморфному интеллекту», организатором которой выступила кафедра нейродинамики и нейробиологии ННГУ им. Н.И. Лобачевского. Школа была посвящена одному из наиболее ярких направлений в нейронауке: разработке моделей, методов и технологий нейроморфных систем, имитирующих морфологию и функциональную активность сетей мозга от уровня молекулярно-клеточной сигнализации до формирования высших когнитивных функций – памяти, сознания, интеллекта. Задачей школы являлось предоставление аспирантам, студентам и молодым сотрудникам, интересующимся нейронаукой, обзора ключевых тенденций и проблем в данной области, различных подходов и уровней понимания существующих задач. Лекторами школы выступили ведущие мировые ученые в области нейронаук.

В 2010 году коллектив кафедры включился в уникальный научный проект по исследованию внеклеточного матрикса мозга, получивший финансирование по гранту правительства Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования (так называемого “мегагранта”). Руководителем проекта стал выдающийся российский ученый Александр Эдуардович Дитятев, работавший в то время в Итальянском институте технологий (Генуя, Италия). Полученные в период выполнения проекта результаты заложили основу современных нейронаучных исследований в Нижнем Новгороде. В частности, в конце 2012 года был создан Нижегородский нейронаучный центр (НННЦ). Центр проводит широкий круг исследований в области нейронауки – от молекулярно-клеточной нейробиологии до исследований когнитивных функций и робототехники. В распоряжении лабораторий НННЦ имеется передовое научно-исследовательского оборудование, а также виварий иммунодефицитных животных (SPF), который необходим для проведения исследований на мировом уровне в области нейронауки.

В продолжение своей научно-образовательной активности весной 2012 года кафедра открывает исследовательскую школу “Нейробиотехнологий». Основной целью создания школы была подготовка аспирантов и магистрантов к профессиональной деятельности в области фундаментальных и прикладных научных исследований и в высокотехнологичных отраслях экономики на уровне современных международных стандартов. Исследовательская школа обеспечила разработку и реализацию структурированных программ подготовки аспирантов и магистрантов с учетом специфики, отвечающей научному направлению «Живые системы».

С 2013 года на кафедре стали активно развиваться прикладные исследования, связанные с разработкой нейроинтегрированных робототехнических систем, экзоскелетонов и систем нейроуправления. Данные исследования получили серьезную финансовую поддержку сначала от фонда РФФИ, а затем от Минобрнауки в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки». Расширение круга научных задач, стоящих перед кафедрой, потребовало новых специализированных лабораторий, одну из которых — лабораторию разработки интеллектуальных биомехатронных технологий — возглавил молодой ученый Миронов Василий Иванович. Вторая лаборатория — лаборатория нейроинженерных технологий (руководитель к.ф.-м.н. Пимашкин Алексей Сергеевич) — занялась разработкой клеточных нейроинтерфейсов и микрофлюидных устройств. В лабораториях были локализованы несколько научно-технических проектов. Один из них направлен на разработку роботизированного комплекса для реабилитации пациентов с нарушениями функций нижних конечностей вследствие травм и заболеваний головного и спинного мозга. Среди основных задач проекта – моделирование биомеханики походки человека, разработка механических компонентов комплекса и требований к ним, расчёт сило-моментного воздействия в сочленениях устройства, разработка уникальной системы управления комплекса в целом. Другой проект посвящен разработке системы регистрации и декодированию сигналов мозга и мышц человека (СРД-1). Программно-аппаратный комплекс, интегрируя информацию с сенсоров, обрабатывает её по заданному правилу, тем самым реализуя функцию универсального интерпретатора сигналов. Наличие обратной связи позволяет эффективно решить сразу две задачи: компенсировать недостающие вычислительные ресурсы за счёт способности мозга к реализации сложной координации движений и адаптации, а также вовлечение пользователя в процесс управления при существенном сокращении времени обучения.

В 2015 году под руководством профессора МГУ доктора биологических наук Каплана Александра Яковлевича, ведущего российского ученого в области мозг-машинных интерфейсов, на кафедре появилась новая ветвь научных исследований, направленных на разработку технологий мозг-машинных интерфейсов нового поколения, а именно пригодной для человека неинвазивной технологии интерфейс мозг-компьютер (ИМК) на основе регистрации и выделения командных паттернов ЭЭГ с контуром обратной связи. Предполагается, что эта новейшая технология позволит преодолеть ограничения существующих ИМК по скорости и точности, но главное – сделает возможным выработку и автоматизацию новых навыков у постинсультных пациентов. Исследования были поддержаны Российским научным фондом и в настоящее время находятся в своей активной фазе.

Группа исследователей кафедры под руководством С.А. Лобова занимается разработкой нейросетевых технологий. Биологически релевантное моделирование позволяет воспроизвести нейрональную и сетевую синхронизацию, безусловное и ассоциативное обучение. Данные эффекты демонстрируются с помощью нейроаниматного подхода, в котором робот, управляемый виртуальной нейронной сетью, меняет свое «поведение» после некоторого периода «жизни» в реальной среде [Lobov, S. et al//Latent Factors Limiting the Performance of sEMG-Interfaces. Sensors 2018].

Адаптивные свойства виртуальных нейронных сетей также используются в интерфейсах человек-машина. Разработан миоинтерфейс, преобразующий небольшие усилия определённых групп мышц в команды, исполняемые моторизированным устройством. Подобный тип управления крайне востребован при использовании протезов и экзоскелетов.

В том же 2015 году кафедра нейродинамики и нейробиологии была переименована в кафедру нейротехнологий в связи с реорганизацией биологического факультета. В настоящее время кафедра нейротехнологий является подразделением Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского.

Одним из направлений кафедры посвящено изучению фундаментальных механизмов функционирования головного мозга, а также разработке новых подходов к повышению адаптационных возможностей клеток нервной системы к воздействию стресс-факторов.

Показано, что нейронные сети в составе первичных культур клеток гиппокампа являются адекватной биологической моделью изучения локальной сетевой активности головного мозга in vitro. На морфологическом и функциональном уровне исследованы основные этапы развития нейрон-глиальных сетей in vitro, установлены общие закономерности их развития. На основе полученных экспериментальных данных разработана математическая модель, описывающая влияние факторов внеклеточной сигнализации на рост отростков нервных клеток, а также компьютерная программа для исследования динамики сигнальных процессов в нейронных сетях мозга, в том числе процессов, происходящих при формировании следов памяти [свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017611909].

С применением электрофизиологической методики исследования активности нейронных сетей с помощью мультиэлектродных систем (Multielectrode arrays) исследованы особенности функциональной биоэлектрической активности нейронных сетей как в норме, так и при воздействии стресс-факторов, в том числе при ферментативном разрушении компонентов микроокружения нейронных сетей – внеклеточного матрикса мозга. С использованием мультиэлектродных систем исследованы особенности формирования нейронных сетей, полученных из культуры индуцированных плюрипотентных клеток, дифференцированных по дофаминергическому пути, а также проведено сравнение спонтанной биоэлектрической активности нейрональных культур, полученных из фибробластов здоровых доноров и больных с генетически детерминированными формами болезни Паркинсона [Патент на изобретение № 2501853].

Ведутся исследования по изучению роли некоторых регуляторных молекул (BDNF, GDNF, N-арахидоноилдофамина (N-ADA)) в качестве потенциальных корректоров функциональной активности нейронных сетей в условиях действия факторов ишемии. На нейросетевом уровне показано наличие не только нейропротекторных и антигипоксических свойств данных биологически активных молекул [M.V. Vedunova et al. // Oxidative Medicine and Cellular Longevity. 2015; Митрошина Е.В. c соавт. // Cовременные технологии в медицине. 2017, Shishkina et al. // Brain research. 2018], но и возможность их использования в качестве диагностических и прогностических критериев оценки степени поражения центральной нервной системы при различных патологиях [Ведунова М.В. c соавт. // Современные технологии в медицине. 2015; патент на изобретение 2568602]. Для нейротрофического фактора BDNF установлена возможность повышения адаптационных возможностей нервных клеток и восстановления функциональной активности нейронных сетей после их значительного повреждения [патент на изобретение №2594065].

Впервые в России применена методика прижизненной детекции мРНК с помощью золотых РНК-зондов и разработан протокол использования данной методики для первичных нейрональных культур [Мищенко с соавт. // Биологические мембраны. 2018].

В области нейроимиджинга разработан ряд компьютерных программ для анализа паттернов метаболической активности нервных клеток, а также для детектирования морфологической структуры и автоматического анализа данных геномного ответа нейрон-глиальной сети [свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014662670].

Разработаны биосовместимые трехмерные конструкты (скаффолды) заданной архитектоники, исследованы особенности роста и формирования нейронных сетей на полученных конструктах. Показана возможность включения в материал конструкта биологически активных веществ без потери их свойств. Имплантирование скаффолдов в область повреждения приводит к снижению выраженности неврологического дефицита и сохранению долговременной памяти [патент на изобретение №2521194].

Проводятся работы по разработке нетоксичных наночастиц для нейротераностики [M.V. Vedunova et al. // RSC Adv. 2016, Mitroshina E.V. et al. // STM. 2016].

В 2017 году началась реализация проекта “Нейромобиль”, на который выделен государственный грант в сумме 250 млн. рублей в рамках конкурса федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы». В ходе выполнения проекта планируется разработка с последующим выходом на серийное производство нейропилотируемого электроприводного транспортного средства ‒ Нейромобиль. Разрабатываемое транспортное средство будет обладать уникальными научно-техническими решениями, обеспечивающими его конкурентоспособность. Основу двигательной системы составит техническое решение с использованием бестрасмиссионной платформы с интегрированными асинхронными мотор-колесами. Кроме того, инновационные изменения произойдут в части управления. В частности, планируется разработка не имеющей аналогов системы активного ассистирования и нейроуправления, которая будет обеспечивать регистрацию мультимодальных сигналов головного мозга человека и формирование управляющих команд исполнительным механизмом специализированного транспортного средства.

За последние 5 лет сотрудниками кафедры было опубликовано более 100 публикаций, индексируемых в международных базах данных Web of Science, Scopus и прочих. Сотрудники кафедры читают около 30 курсов лекций для бакалавров, магистрантов и аспирантов. В настоящее время кафедра реализует программу подготовки бакалавриата по профилям нейробиология, биомедицина, а также магистерскую программу по профилю нейробиология. Аспирантская программа, реализуемая кафедрой, входит в состав профиля «Биофизика». На кафедре проходят обучение 13 аспирантов и 60 студентов (по состоянию на 2017/2018 учебный год). За время существования кафедры 6 человек получили ученую степень кандидата наук и 1 человек ученую степень доктора наук. Выпускники кафедры подготовлены к деятельности в области молекулярно-клеточной нейробиологии, электрофизиологии, биофизики, математической статистики, компьютерного моделирования. Владеют теоретическими знаниями о механизмах функционирования клеток и клеточных сетей мозга, основами экспериментальных методик, включая электрофизиологические методы регистрации с использованием технологий пэтч-кламп и мультиэлектродных систем, флуоресцентного оптического имиджинга, базовыми статистическими методами обработки данных, основами компьютерного моделирований нейронных систем.