<Номер соглашения> <Номер постера> Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы» Науки о жизни Тема: Разработка технологий для репрезентации функций кортикальных структур in silico Соглашение 14.608.12.0001 на период 2015 - 2016 гг. Руководитель проекта: Главный научный сотрудник Гуткин Борис Самуилович Получатель субсидии: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" Связанное соглашение комплексного проекта 14.581.21.0016. Тема: Разработка методов, технологий и платформ для исследований функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей информационной модели кортикальных структур мозга Цели и задачи проекта • Разработка математической модели обработки сигналов в сверхбольших нейрон-глиальных сетях кортикальных структур головного мозга (порядка 100 млн. элементов и не менее 50 млн. синапсов) и создание экспериментального образца программного обеспечения, обеспечивающего компьютерное моделирование процессов, протекающих в такой сети. • Исследование фундаментальных принципов генерации и распространения сигналов (в том числе и механизмов патологической активности), исследование процессов обработки информации на основе сигнализации и пластичности нейронных и нейрон-глиальных систем мозга. • Новизна проекта заключается в сочетании глубокой проработки фундаментальной научной составляющей в области нейробиологии с передовыми технологическими решениями для создания технологий и платформ для репрезентации функций мозга in silico. Другой центральной отличительной особенностью данного проекта является учёт влияния нейроглии, широко представленной в мозге млекопитающих. Ожидаемые результаты проекта • Основным результатом проекта будет экспериментальный образец программного обеспечения, разработанного на основе математической модели обработки сигналов в СНГС, в котором будут реализованы расчёты сигналов биоэлектрической и химической активности этих клеток, выявление взаимосвязей между динамикой астроцитов и нейронов, определение роли активности астроцитов в процессе передачи нервного импульса через синапс. • Для проведения крупномасштабных сетевых вычислительных симуляций кортикальной колонки будут разработаны методы математической редукции сложных, с вычислительной точки зрения, моделей отдельных элементов СНГС (нейронов, синапсов, глиальных клеток, ансамблей нейронов). • Будет разработана математическая модель обработки сигналов в нейронах и глиальных клетках, и проведено моделирование процессов нейрон-глиального взаимодействия. • Будут изучены процессы генерации нормальной и патологической биоэлектрической активности и механизмов возникновения эпилептической активности коры мозга. • Будут построены математические модели нейронных ансамблей, генерирующих многочастотные электрические сигналы. • Будет проведено моделирование влияния периодической активности в нейронных ансамблях, составляющих кортикальную микроколонку, на процессы кодирования, декодирования и хранения информации. Перспективы практического использования Разрабатываемый экспериментальный образец программного обеспечения будет использован для моделирования передачи нервной активности в СНГС и использования при выполнении задач ПНИЭР по теме: «Разработка методов, технологий и платформ для исследований функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей информационной модели кортикальных структур мозга». Разрабатываемый программный комплекс может применяться в фундаментальных и прикладных исследовательских работах в области биологии и медицины, а также использоваться для изучения активности нейронных ансамблей радиофизическими методами, где основное влияние уделяется поиску бифуркаций и параметрическому анализу. Результаты, полученные в рамках проекта, могут быть использованы в решении таких актуальных проблем, как • создание универсальной платформы виртуального нейроморфного моделирования функций мозга и разработки технологических основ для создания интеллектуальных нейроморфных систем обработки информации. • проведение исследований с целью выяснения механизмов развития различных нейропсихических заболеваний на нейросетевом уровне необходимо применять подходы математического моделирования и компьютерных симуляций. Результаты исследовательской работы, полученные в 2015 г. 2. Математическая модель обработки сигналов в нейронах и глиальных клетках 1. Разработка методов математической редукции сложных, с вычислительной точки зрения, моделей отдельных элементов СНГС 3. Моделирование эпилептогенеза Обычные бёрсты dX = F0 ( X ) + e 2 N ( X ) dt Длительность бёрста в зависимости от времени затухания постсинаптических ответов SNIC bifurcation Средний уровень деполяризации сети (синий) и возбуждающие проводимости AMPA (зел.) и NMDA (краснный) Quadratic Integrate and fire dz = e h + qz 2 dt ( ) Эпилептиформные супербёрсты Пример супербёрстовой активности в модели. Супербёрсты, следующие друг за другом состоят из простых бёрстов. Q-neuron z = tan (q / 2 ) Партнеры проекта Индустриальный партнёр: ООО «Ниагара компьютерс» - официальный дистрибьютор, системный интегратор и авторизованный сервисный центр продукции компании Super Micro Computer Inc. в России, финансовая поддержка выполнения исследовательских работ (внебюджетное финансирование). • Соисполнитель: Институт прикладной Физики РАН. Задача - создание экспериментального образца программного обеспечения 14.608.21.0001 <Номер постера>