Кафедра нейротехнологий

В настоящее время происходит бурное развитие исследований в сфере когнитивных наук и нейротехнологий во всем мире. Правительством РФ была утверждена Концепция технологического развития до 2030 года и впервые среди приоритетов указаны нейротехнологии.

Сотрудники кафедры нейротехнологий Института биологии и биомедицины ННГУ им. Н.И. Лобачевского ведут научно-исследовательскую, образовательную деятельность в области нейробиологии и нейротехнологий. Активность кафедры сфокусирована на фундаментальных проблемах современной науки о мозге, позволяющих осуществлять междисциплинарные научные исследования и экспериментальные работы для создания нейроинтерфейсов, применяемых в обучении, медицинской реабилитации и спортивных тренировках. Разрабатываются устройства интеллектуального ассистирования и систем экзоскелетонного типа, использующих для управления сигналы мозга и мышц человека. Исследуются нейронные сети, моделирование которых позволяет воспроизвести нейрональную и сетевую синхронизацию, безусловное и ассоциативное обучение. Разрабатываются новые подходы к повышению адаптационных возможностей клеток нервной системы при воздействии стресс-факторов, изучается роль некоторых регуляторных молекул (BDNF, GDNF, N-арахидоноилдофамина (N-ADA)) в качестве потенциальных корректоров функциональной активности нейронных сетей в условиях действия факторов ишемии. 

Кафедра нейротехнологий осуществляет подготовку бакалавров и магистров в области нейробиологии. 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.

Сотрудничество:

• Балтийский федеральный университет имени И. Канта;
• Московский физико-технический институт;
• Самарский государственный медицинский университет;
• Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ».

История кафедры нейротехнологий:

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. Работа 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 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.

Крупные проекты:

Одним из главных событий 2012 года стало открытие 9 ноября нового научно-исследовательского института «Института живых систем» (современный трехэтажный корпус был построен на территории университетского городка в 2011-2012 году). Коллектив кафедры нейродинамики и нейробиологии, наряду с кафедрами биофизики и биомедицины, внес большой вклад в создание Института.  «Институт живых систем» – мультидисциплинарный институт, в котором проводились исследования фундаментальных аспектов функционирования живых систем на основе комплементарного использования новейших методов и инструментов, применяемых в биологии, химии, физике, вычислительной математике, нанотехнологиях. Эти исследования нацелены на решение, прикладных задач, прежде всего в нейробиологии, экспериментальной онкологии, регенеративной медицине, кардиологии.

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 2012 году 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, поддержанных грантами. Испытанию системы нейроинтеграции экзоскелетонных роботизированных комплексов (СНИ-ЭРК) и человека (Соглашение о предоставлении субсидии № 14.578.21.0094 с Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки»). Система нейроинтеграции предназначена для коммуникации человека с роботизированными устройствами, в том числе – экзоскелетонами. Принцип работы СНИ-ЭРК основан на детектировании биометрических параметров человека и выработке управляющего воздействия на приводах исполнительного устройства.

Проект 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.

Проект по созданию роботизированной системы интеллектуального ассистирования – РСИА (Соглашение о предоставлении субсидии от 27.10.2015 г. № 14.578.21.0107 с Минобрнауки России в рамках ФЦП «Исследования и разработки»). РСИА предназначена для реабилитации пациентов с неврологическими патологиями. В процессе работы РСИА учитывает индивидуальные особенности пациента и степень нарушения его двигательной активности. Разрабатываемые алгоритмы, которые формируют основу системы управления РСИА, позволяют рассчитывать управляющие воздействия, принимая во внимание степень активации мышечной системы пользователя, что даёт возможность реализовать методику дозированной помощи (интеллектуального ассистирования).

Модель приводных механизмов и внешний вид самого изделия ПАК РСИА

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.

В 2017 году началась реализация крупного проекта «Нейромобиль» в рамках конкурса федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 — 2020 годы». Цель проекта – разработка действующего макета автономного электромобиля – устройства, управляемого системой нейропилотирования. Данная система осуществляет мониторинг биоэлектрической активности человека для управления устройством (регистрирует сигналы электроэнцефалографии (ЭЭГ), электромиографии (ЭМГ), трекинг глаз). Система реализует способ гибридного командно-пропорционального управления, основываясь на качестве и достоверности получаемой информации. ЭМГ активность отвечает за градуальное управление, в то время как трекинг глаз или ЭЭГ канал могут выполнять функцию переключения режима управления с помощью команд.  Нейропилотирование с помощью подобного мультимодального интерфейса позволяет повысить надежность пилотирования Нейромобилем.

В 2017 году между ННГУ, Южным федеральным университетом и Фондом перспективных исследований было заключено соглашение о выполнении на базе ННГУ крупного проекта «Разработка технологии обнаружения в воздухе и распознавания в режиме реального времени сверхмалых концентраций одорантов с использованием биогибридной сенсорной системы на основе биочипа». Целью данного проекта было разработка средств быстрого обнаружения низких и сверхнизких концентраций целевых веществ (взрывчатых, наркотических и других) в воздухе в контексте обеспечения национальной безопасности государства, сохранения жизни и здоровья его граждан. В результате выполнения гранта с 2017 по 2020 гг. сотрудниками лаборатории «Функционального имиджинга» были созданы макеты и экспериментальные образцы аппаратно-программных комплексов (биогибридные сенсорные системы на основе биочипа), разработаны функциональные биологически правдоподобные математические модели нейронной организации гломерул в обонятельной луковице и ее биоэлектрической активности. За время выполнения проекта было получено 7 результатов интеллектуальной деятельности в интересах обороны страны и безопасности государства.

2018 году был выигран мегагрант под руководством ведущего ученого д.ф.-м.н., проф. Горбаня А.Н., в рамках которого была создана лаборатория перспективных методов анализа многомерных данных, специализирующейся на комплексных исследованиях в области искусственного интеллекта, анализа данных и компьютерного моделирования. Под руководством проф. А.Н. Горбаня коллектив лаборатории внес значительный вклад в развитие теории и практики работы с данными высокой размерности, создавая инновационные методы для решения актуальных задач современной науки и технологии. Были разработаны: технология коррекции кластеров ошибок искусственного интеллекта, технология динамического фенотипирования медицинских данных и метод главных графов для анализа данных большой размерности. За время выполнения проекта (2018-2023) было опубликовано 78 научных статей, из них 32 статьи в журналах первого квартиля (Q1) и 20+ статей во втором квартиле (Q2), а также зарегистрировано 4 патента на изобретения и 11 программ для ЭВМ.

Активно развивалось исследование нейрональной пластичности. С помощью модельной спайковой (импульсной) нейронной сети с STDP-пластичностью был продемонстрирован эффект структурно-функциональных перестроек под действием периодической внешней стимуляции и показано, что сетевая синхронизация опосредуется именно пластичностью. Данный вывод позволил сделать разработать. метод отображения связей нейронной сети (синаптического коннектома) с помощью векторного поля (Bazhanova et al., 2021; Lobov et al., 2023a). Была изучена зависимость возникновения сетевой синхронизации от частоты внешнего сигнала и показано, что STDP-пластичность существенно расширяет частотный и пространственный диапазон, при котором наблюдается синхронизация (Bazhanova et al., 2020, 2021).

Одно 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].

Кафедра нейротехнологий неоднократно выступала организатором научных конференций мирового уровня.  Volga Neuroscience Meeting – международная конференция по нейронаукам, включающая участников из 17 стран.

За последние 5 лет сотрудниками кафедры было опубликовано более 150 публикаций в изданиях, индексируемых в международных базах данных Web of Science, Scopus и прочих. Сотрудники кафедры читают более 20 курсов для бакалавров, магистрантов и специалистов. Действующий штат кафедры включает 6 профессоров, 5 доцентов. Сотрудница кафедры, доктор физико-математических наук Гордлеева Сусанна Юрьевна (в настоящее время профессор кафедры) стала Лауреатом премии Президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2023 год за разработку моделей и технологий нейроморфного искусственного интеллекта на основе биофизических нейрон-астроцитарных сетевых моделей для мемристивной электроники.

В настоящее время кафедра реализует программу подготовки бакалавриата по профилю нейробиология, а также магистерскую программу по профилю нейробиология. Аспирантская программа, реализуемая кафедрой, входит в состав профиля «Биофизика». На кафедре проходят обучение 13 аспирантов и более 90 студентов (по состоянию на 2025/2026 учебный год).