Лаборатория нейродинамики и когнитивных технологий
Основные научные направления:
Лаборатория нейродинамики и когнитивных технологий проводит междисциплинарные научные исследования и экспериментальные работы для разработки нейроинтерфейсов, применяемых в обучении, медицинской реабилитации и спортивных тренировках.
Компетенции коллектива лаборатории также включают: исследование динамики нейронных сетей мозга с использованием моделей различного уровня детализации биофизических процессов, математические методы обработки и анализа многоканальных нейрофизиологических данных различной природы включая технологии искусственного интеллекта, человек-машинные интерфейсы.
Цели научных исследований:
- изучение динамических принципов представления, преобразования и обработки информации в мозге, исследование основных закономерностей наблюдаемых колебательно-волновых процессов и их роли в осуществлении когнитивных функций;
- поиск способов воздействия на процессы межклеточной сигнализации при выполнении когнитивных функций, в том числе с помощью транскраниальной магнитной стимуляции;
- разработка и апробация высокотехнологичных нейроинтерфейсов для применения в персонализированной реабилитационной медицине.
Задачи:
- выявление функциональных сетей в головном мозге человека, формирующихся в процессе сенсомоторной интеграции при выполнении задач на моторное воображение и обработку сенсорной информации;
- развитие методов воздействия на процессы формирования и реконфигурации функциональных нейронных сетей в соответствии с поставленной целью;
- разработка нейроинтерфейсов для коррекции нарушений сна на основе мультимодальной биологической обратной связи;
- исследование динамических механизмов формирования патологических состояний локальный нейронных популяций головного мозга методами биофизического моделирования
В Лаборатории в 2022-2023 годах получены следующие основные научные результаты:
- в результате исследований активности головного мозга человека в процессах обработки зрительных стимулов и воображения движений удалось выявить зоны коры головного мозга и структуру функциональных нейронных сетей, задействованных при выполнении данных когнитивных задач. Показано, что трансчерепная магнитная стимуляция выявленных зон может ускорять реакцию человека на зрительные команды и улучшать координацию движений [1]. Это открытие позволит создать нейроинтерфейс, включающий магнитную стимуляцию, который позволит ускорять реакцию человека. Потенциальными областями применения системы является компенсация замедления реакции в пожилом возрасте, создание новых методов реабилитации двигательных нарушений и разработка эффективных методик тренировки спортсменов. Разработка такого нейроинтерфейса будет осуществляться в 2024 году на базе Университета Лобачевского. К настоящему моменту проведен ряд предварительных исследований для формулирования гипотезы и методики реализации проекта.
- разработана уникальная экспериментальная парадигма для оценки реакции человека в зависимости от влияния различных факторов, включающих усталость, сложность стимула (нисходящее, top-down, влияние) и морфологию стимула (восходящее, bottom-up, влияние). В рамках данной парадигмы на базе Университета Лобачевского проведены эксперименты по регистрации поведенческих и нейрофизиологических данных в группе из 63х добровольцев. Обнаружены особенности обработки стимулов, с учетом которых на следующем этапе будет подбираться тип стимуляции [2].
- разработана методика для классификации состояний мозга, связанных с нарушением процесса обработки зрительного стимула, в реальном времени. Для этих целей предложены новые подходы на основе глубокого обучения с использованием сверточной нейронной сети. Данная методика будет использоваться в разрабатываемой системе для выбора оптимальных таймингов для стимуляции. Разработанная методика опубликована в математическом журнале [3].
- создана база данных сигналов ЭЭГ, ЭМГ и поведенческих характеристик испытуемых (более 100 человек) во время выполнения когнитивных задач воображения движений и обработки сенсорной информации до и после стимуляции ТМС.
- методом ЭЭГ-ТМС нейровизуализации проведено исследование структуры функциональной нейронной сети при выполнении когнитивной задачи на моторное воображение. Обнаружена область префронтальной коры, участвующая в функциональной нейронной сети при воображении двигательной активности. Выявлен способ активации функциональной нейронной сети, позволяющий повысить эффективность выполнения когнитивной задачи на воображение двигательной активности.
- исследована экстремальная синхронизация в сложных динамических сетях, моделирующих патологические состояния локальных нейронных популяций головного мозга.
Информация о сотрудничестве с иными образовательными и научными организациями и организациями реального сектора экономики:
- ФГБУ «Национальный медико-хирургический Центр имени Н.И. Пирогова» Минздрава РФ
- ФГАОУ ВО Первый МГМУ имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет)
- Поволжский исследовательский медицинский университет
- Самарский государственный медицинский университет
- Балтийский федеральный университет им. И. Канта
- Научно-производственная фирма МАДИН
- ФГБУН Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН
- Центр биомедицинский технологий Мадридского университета, Мадрид, Испания
- Института имени Вейцмана, Израиль
- Университетского колледжа Лондона, Великобритания
- Университет Лейстера, Великобритания
