Участие в ПИР - Нижегородский государственный университет

Инновационные направления
научной деятельности в
области нейробиотехнологий
Тема 1
Казанцев Виктор Борисович
зав. кафедрой нейродинамики и
нейробиологии
биологический факультет ННГУ
Фундаментальные основы нейробиотехнологий
НЕЙРОНАУКА или Наука о Мозге междисциплинарные
исследования структуры, процессов и функций мозга: от молекулярно-клеточного уровня
до высших когнитивных функций и социальных взаимодействий.
Современные концепции Нейронауки
Jean Livet, et al. Nature 450, 56-62, 2007
Для Чего?
Потребности
Медицинские
•Разработка нейроимиджинговых методик
неинвазивной диагностики
неврологических и нейродегенеративных
заболеваний
•Разработка и тестирование воздействия
фармакологических препаратов на
системы и функции мозга
•Разработка технологий микроэлектродных
имплантов – восстановление утраченных
функций
Информационные
•Новые технологии параллельной
обработки больших объемов информации
•Разработка систем автоматического
управления и навигации на принципах
работы систем мозга
•Разработка автономных систем и
устройств – робототехника
•Разработка систем нейроно-электронного
интерфейса
Что делается в мире?
Междисциплинарные Центры Нейронауки:
фундаментальная нейробиология, нейробиотехнологии
•Институт Мозга РИКЕН, Япония
•Институт Технологий Джорджии, Атланта, США
•Институт Нейронаук, (Brain Corporation) Сан-Диего, США
•Итальянский Институт Технологий, Италия
•Bernstein Center for Computational Neuroscience, Фрайбург,
Германия
•Tel-Aviv University, Израиль
•Университет Ридинга, Великобритания
…
Что делается в мире? Модели и эксперименты
Пример 1. Концепция “Нейроны бабушки”
Нейрональная сеть,
кодирующая паттерн!
R. Quian Quiroga, et al., Nature 2005
Что делается в мире? Модели и эксперименты
Пример 2. “Нейронные песни”
Y. Ikegaya, et al., Science 2004
Функциональный мультинейронный кальциевый имиджинг (fMCI)
Нейрональная сеть,
кодирующая паттерн!
В структуре паттерна обнаружены повторяющиеся
пространственно-временные последовательности
Что делается в мире? Модели и эксперименты
Пример 3. Neuromemory Chip
E. Ben Jacob, et al. PRE 2007
Паттерны активности в нейрональной сети культуры для запоминания информации
?
Нейрональная сеть,
кодирующая паттерн!
Что делается в мире? Модели и эксперименты
Пример4. Конвергентные технологиию. Нейро-управляемые роботы
?
Нейрональная сеть,
кодирующая паттерн!
Meart - результат второй фазы исследований
подобного рода. "Мозгом" робота являются
отдельные нейроны крысы, которые растут в
специальной среде в Атланте. Так называемое
"тело" находится в г. Перт. Взаимодействие частей
осуществляется посредством Internet (TCP/IP) в
режиме реального времени
Что делается в мире? Модели и эксперименты
Пример 5. Нейрон-глиальные взаимодействия и внеклеточный матрикс
Нейронная сеть, синапсы
Внеклеточная
среда. Матрикс
Матрикс
Астроцитарная
сеть
ПРОЕКТ
«Внеклеточный матрикс мозга как детерминант межклеточных
коммуникаций и мишень терапевтических воздействий»
Лаборатория по исследованию внеклеточного
матрикса мозга
Ведущий ученый: проф. Дитятев Александр
Эдуардович (Итальянский Институт
Технологий)
*
Докладчик
Казанцев Виктор Борисович, д.ф.-м.н.
Институт прикладной физики РАН
Нижегородский государственный университет
Внеклеточный матрикс - “молекулярная сеть”, охватывающая синапсы
и способная управлять передачей сигналов в мозге
Фундаментальные исследования
Прикладной аспект
Изменения в строении
перинейрональных
сетей при шизофрении
Шизофрения
Норма
Перинейрональные сети –
матрикс вокруг синапсов
Цели проекта
- Создание в Нижнем Новгороде современной
нейробиологической лаборатории и инфраструктуры для
проведения исследований
- Проведение фундаментальных исследований и публикация
результатов в высокоцитируемых отечественных и западных
журналах
- Интеграция лаборатории в Европейские консорциумы по
изучению мозга
- Привлечение студентов и аспирантов к научным исследованиям,
подготовка высококвалифицированных кадров в области
нейробиотехнологий
Структурная организация
ИПФ РАН
Лаборатории
моделирования
мозга
ННГУ
Кафедра
нейродинамики (2005)
НижГМА
Лаборатория
клеточных
технологий
Лаборатория оптического
нейроимиджинга (2008)
Институт мозга РИКЕН
(Япония)
Лаборатория по
исследованию
матрикса мозга
(2010)
Институт Технологий
(Италия)
Сотрудничество с Российскими
университетами и институтами
(проект Биотехнологии в Нейронауках
при поддержке TEMPUS)
Научный и инфраструктурный задел
для реализации проекта
Уникальный исследовательский комплекс для
мониторинга активности клеток и изучения межклеточной
передачи сигналов в мозге
Инфраструктура новой лаборатории
Specific Pathogen Free (SPF) Виварий
Neurotrypsin-pHluorin
Световая микроскопия с разрешением 20 nm
Photoactivated localization microscopy (PALM)
Распределение интегринов
Визуализация клеточной мембраны
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ НЕЙРОМОРФНЫЕ СИСТЕМЫ
-Живые нейронные сети в культурах клеток мозга:
генерация, передача, прием и преобразование сигналов
- Нейроанимат: биоробот, управляемый живыми
клетками мозга
- Виртуальные нейроморфные сети: 3D визуализация
структур мозга, “выращивание” виртуальных сетей в
реалистичной морфологии, создание фундаментальных
основ нейроморфного интеллекта
Нейрональные культуры. “Мозг в пробирке”
Обработка данных. Математические модели
Модель “нейронных лавин” – феномен
самоорганизованной критичности
Количество спайков в пачке
Эксперимент
3000
2000
1000
0
0
5
10
15
20
25
30
Средняя частота спайков в
пачке, Гц
День развития in vitro
80
Эволюция сети
на пороге
перколяционног
о перехода
60
40
20
0
0
5
10
15
20
День развития in vitro
25
30
Нейроанимат: биоробот, управляемый живыми клетками мозга
Компьютер MED64
детекция всех электродов
2008-2011
Усилитель MED64
MED64 probe
Преобразование сигналов
культура нейронов
Обратная связь
АЦП/ЦАП
Компьютер для
обучения
Стимулятор
2011
Формирование простейших
функций объекта без
программирования
Виртуальные нейроморфные сети
Выращивание нейроморфных
структур
Динамические модели роста
структур