Специалист российского ИТ-вуза Владимир Максименко предложил математические модели нейронных сетей.
Эти работы отмечена Премией президента России в области науки и инноваций для молодых ученых
На их основе разработаны инвазивные и неинвазивные интерфейсы мозг-компьютер — системы, преобразующие нейронные сигналы в команды управления внешними устройствами.
С помощью этих моделей учёным стало понятнее нейронное взаимодействие в головном мозге.
«В головном мозге каждый нейрон получает входные сигналы от нескольких сотен нейронов одновременно: сигналы поступают в нейрон в случайной фазе его цикла возбудимости, что не позволяет передать информацию. Чтобы нейроны взаимодействовали необходима фазовая синхронизация их активности. Несмотря на существенный прорыв в нейровизуализации, большая часть информации о нейронном взаимодействии недоступна для регистрации, — поясняет Владимир Максименко. — Это основный барьер на пути развития неинвазивных интерфейсов мозг-компьютер. Мы предложили математическую модель, которая позволяет выявить связь между процессами, протекающими в нейронной сети мозга, и свойствами регистрируемых сигналов суммарной активности нейронов. На основе математической модели был выдвинут ряд гипотез, которые проверены экспериментально на животных и человеке. Оказалось, что предложенная математическая модель верно моделируют динамику сигналов нейронных ансамблей, благодаря чему происходящее в головном мозге нейронное взаимодействие становится понятнее для научной интерпретации».
На основе обнаруженных закономерностей Владимир Максименко разработал инвазивный интерфейс мозг-компьютер для предотвращения эпилептических приступов путем электрической стимуляции. Экспериментально проверенный интерфейс сокращает число приступов, не оказывая влияния на нормальную активность мозга. В последних экспериментах показано, что закономерности, выявленные для лабораторных животных, справедливы для человека. В будущем разработанный интерфейс мозг-компьютер позволит повысить качество жизни пациентов с эпилепсией, устойчивых к медикаментозному лечению.
Также разработанный подход использовался для создания неинвазивного интерфейса для контроля концентрации внимания. С его помощью впервые продемонстрирована возможность повышения концентрации внимания без длительных тренировок за счёт использования биологической обратной связи. Такой интерфейс применим в сферах профессиональной деятельности, в которых важно сохранять концентрацию, а цена человеческой ошибки очень велика — пилоты самолетов, водители. Команда лаборатории занимается разработкой подобных интерфейсов для создания интерактивных образовательных программ для детей с нарушением внимания.
«На основе интерфейса разработана интерактивная среда для мониторинга и контроля внимания младших школьников в процессе усвоения образовательного материала. Она проходит испытания на контрольной группе школьников Иннополиса», — поясняет лауреат премии.
Третье важное практическое применение результатов Владимира Максименко — неинвазивный интерфейс мозг-компьютер для идентификации воображения двигательной активности без предварительных тренировок испытуемого.
«Разработанная система перешла в стадию доклинических исследований на разных возрастных группах. В результате выявлены ранние признаки возрастной деградации моторных функций. Сейчас разработанный интерфейс дополнен биологической обратной связью, которая позволит восстановить как возрастную деградацию моторных функций, так и полностью или частично утраченные двигательные функции в постинсультный период», — рассказывает исследователь.
На базе лаборатории нейронауки и когнитивных технологий развивается ведущая мировая научная школа в области нейронаук. Результаты прорывных исследований лаборатории опубликованы в престижных журналах, включая журналы группы Nature. Учёные этой лаборатории под руководством профессора Александра Храмова совместно с британским университетом Лафборо первыми в мире обнаружили новый способ хранения и передачи информации для квантовых компьютеров, изучив возможности управления обнаруженным гиперхаосом в кубитах.
О премии
Премия президента России вручается ежегодно четырём лауреатом. Это высшая государственная награда для молодых учёных. Размер каждой премии — 5 млн рублей.
Премия президента России в области науки и инноваций для молодых ученых присуждается за результаты научных исследований, внёсших значительный вклад в развитие естественных, технических и гуманитарных наук, а также за разработку образцов новой техники и прогрессивных технологий, обеспечивающих инновационное развитие экономики, социальной сферы и укрепление обороноспособности страны.
