Федеральная целевая программа

<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>