|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ЦЭМИ РАН |
||
Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человекаНИР
Development of new experimental and mathematical methods for the analysis and study of principles of cognitive neural network organization in the animal and human brain.
- Руководитель НИР: Анохин К.В.
- Ответственные исполнители: Ивашкина О.И., Поспелов Н.А.
- Участники НИР: Диффинэ Е.А., Ениколопов Г.Н., Заморина Т.А., Иванова А.А., Плюснин В.В., Рогожникова О.С., Рогожникова О.С., Сотсков В.П., Тиунова А.А., Торопова К.А., Ушаков В.Л.
- Подразделение: Институт перспективных исследований мозга
- Срок исполнения: 1 января 2021 г. - 31 декабря 2026 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 08
- Номер ЦИТИС: 121050600018-4
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Когнитивные функции головного мозга
- Приоритеты и перспективы НТР Российской Федерации согласно Стратегии НТР РФ: возможность эффективного ответа российского общества на большие вызовы
- ПН России: Науки о жизни
- Направление технологического прорыва России: Медицинские технологии и лекарственные средства
- Критическая технология России: Биомедицинские и ветеринарные технологии
-
Рубрики ГРНТИ:
- 34.39.15 Общая нейрофизиология
- 34.39.17 Физиология центральной нервной системы
- 34.39.23 Высшая нервная деятельность. Поведение
- Классификатор OECD: Нейробиология
-
Ключевые слова:
нервная система, функциональная система, сети покоя, нейрофотоника, мозг, поведение, математический анализ
nervous system, mathematical analysis, behaviour, brain, neurophotonics, functional system, resting-state networks -
Описание:
Изучение принципов устойчивого кодирования долговременной памяти в когнитивных нейронных сетях мозга. Разработка новых методов анализа структурных и функциональных коннектомов головного мозга человека
-
Планируемые результаты:
Будут разработаны новые методы, подходы и экспериментальные модели для оптической регистрации нейронов мозга у бодрствующего организма. Проводимые исследования позволят установить фундаментальные закономерности вовлечения отдельных нейронов мозга в процессы обучения и формирования нормальной и патологической памяти. Будут получены новые данные о том, как экспериментальное когнитивное воздействие влияет на пространственно-временную организацию последующей активности мозга, функциональную взаимосвязанность такой активности, а также, насколько эффект такого воздействия сохраняется во времени. Полученные результаты будут использованы для создания эмпирической модели, описывающей, как фоновая активация когнитивных нейронных сетей транслируется в широкомасштабную активацию областей мозга в состоянии покоя, и насколько данные уровни функционирования нейронных сетей подвержены влиянию прошлого опыта. Применение методов спектральной теории графов, в частности изучение собственных значений и собственных векторов матриц, характеризующих граф, позволит выявить новые коллективные свойства структурных и функциональных сетей, лежащие в основе когнитивной деятельности мозга. Будут исследованы механизмы устойчивого сохранения долговременной памяти в мозге на трех уровнях: поведение целостного организма, активность различных областей его мозга и вовлечение индивидуальных нейронов в сохранение памяти на разных сроках после ее формирования. Ожидается, что будут выявлены и проанализированы перестройки в когнитивных сетях нейронов, обеспечивающих сохранность памяти, как на уровне макроструктур головного мозга, так и на уровне популяций отдельных нейронов. Планируемое исследование позволит идентифицировать нервные субстраты устойчивого кодирования памяти на сроках, сопоставимых со сроком жизни организма и значительно превышающих сроки жизни отдельных клеточных компонентов (синапсов, рецепторов, белков и т.д.) - основного механизма поддержания памяти, известного на сегодняшний день. Полученные результаты могут иметь важное практическое значение для установления механизмов разрушения ранее сформированной памяти при различных нейродегенеративных процессах, включая болезнь Альцгеймера. На основе МРТ данных состояния покоя будет проведено исследование разработаны новые экспериментальные методы анализа особенностей архитектур коннектомов головного мозга человека в норме и при заболевании шизофренией. Будут применены разные метрики, в том числе топологические, для расчета нейросетевых взаимодействий и оценки строения коннектомов. Ожидается, что будут выявлены и проанализированы различия в нейросетевых коннектомах головного мозга человека в норме и при заболевании шизофренией. Полученные результаты могут иметь важное практическое значение в психиатрии для создания объективных систем диагностики заболевания шизофренией.
-
Научный задел:
Научный коллектив, работающий по данной теме, опирается на опыт многолетних исследований молекулярных, клеточных и нейросетевых механизмов когнитивных процессов. В частности, были описаны новые молекулярные и системные механизмы консолидации долговременной памяти, были найдены гены, ответственные за консолидацию долговременной памяти, а также установлены белок-зависимые механизмы реконсолидации памяти. Для выявления популяций когнитивно индексированных нейронов нами были разработаны и успешно применены различные методы, основанные на ex vivo и in vivo имиджинге активности немедленных ранних генов. Научным коллективом накоплен значительный опыт в исследованиях электрической и геномной активности нейронов головного мозга у бодрствующих лабораторных животных, выполняющих различные когнитивные задачи. Участники исследования также являются специалистами в области поведенческого, нейросетевого и молекулярного анализа механизмов обучения и памяти в норме и при патологических изменениях памяти.Новые нейрофизиологические и оптические методы исследований мозга развиваются в сотрудничестве с физиками и математиками, что определило создание в институте постоянно действующего теоретического семинара "Топология мозга" и позволило провести в 2019 первую научную конференцию "Теоретическая физика и математика мозга: интеграция дисциплин и приложений". В 2020 году институт участвовал в организации и проведении 1-го Национального конгресса по когнитивным исследованиям, искусственному интеллекту и нейроинформатике. В 2020 году Институт вошел в состав консорциума по выполнению крупного научного проекта "Мозг и иинформаиция: от естественного интеллекта к искусственному", который выполнялся в 2020 - 2023 гг.
- Добавил в систему: Анохин Константин Владимирович
Источник финансирования НИР
| госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию) |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: Результаты работы: В работе, проведенной в 2021 г., были разработаны, оптимизированы и протестированы программные средства для проведения популяционного анализа с помощью нейросетевых методов понижения размерности, позволяющие декодировать траекторию бодрствующих экспериментальных животных - мышей линии C57BL6 в исследуемом пространстве (кольцевом треке). Также была проведена верификация разработанных средств путём сравнения качества декодирования пространства всей популяцией нейронов с параметрами пространственной селективности для отдельных нейронов. Области применения полученных результатов: На основе разработанных на данном этапе работы методов будут созданы средства для декодирования более сложного поведения экспериментальных животных по данным нейронной активности, а также для выявления причинно-следственных связей между экспериментальными когнитивными воздействиями и устойчивыми изменениями пространственно-временной организации активности мозга. | ||
| 2 | 3 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: В работе, проведенной в 2022 г., были разработаны и оптимизированы методы и подходы для очистки от шумов сигнала кальциевой активности нейронов гиппокампа мыши, а также метод для выделения множественных полей места у пространственно-селективных нейронов. Были получены основные параметры динамики пространсвтенной селективности нейронов шиппокампа мышей, выполняющих задачу навигации в среде со сложной геометрией. Кроме того, была проведена верификация полученных результатов путём сравнения качества декодирования пространства всей популяцией нейронов с параметрами средней пространственной селективности нейронов. Области применения полученных результатов: На основе разработанных на данном этапе работы методов будут созданы средства для более точного и качественного декодирования сложного поведения животных по данным нейронной активности, а также для выявления причинно-следственных связей между экспериментальными когнитивными воздействиями и устойчивыми изменениями пространственно-временной организации активности мозга. | ||
| 3 | 2 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: Разработаны и оптимизированы методы и подходы для синхронизаций данных нейронной активности и поведения животных, в частности, автоматического выявления нейронных специализаций. Было проведено сопоставление нейронных специализаций между отдельными нейронами в различных сессиях эксперимента по формированию у мышей травматической памяти. На основе разработанных на данном этапе работы методов будут созданы средства для точных методов выявления и анализа нейронных специализаций, а также для выявления причинно-следственных связей между экспериментальными когнитивными воздействиями и устойчивыми изменениями пространственно-временной организации активности мозга. Проведен анализ особенностей структурных коннектомов головного мозга здоровых людей и больных шизофренией на основе расчета дискретных оценок кривизны Формана-Риччи и Оливье-Риччи. Было обнаружено существенное различие в сходимости по бинам для разницы гистограмм кривизны при статистическом перемешивании в группах больных шизофренией и группы нормы – для больных пациентов она существенно ниже, что подтверждается гетерогенностью симптомов заболевания. Полученные результаты позволяют сделать вывод о большом потенциале применения методов топологического анализа в исследовании структурной и функциональной организации нейросетей головного мозга человека и их динамического взаимодействия в нейрокогнитивных процессах в норме и при патологии. | ||
| 4 | 1 января 2024 г.-31 декабря 2024 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: | ||
| 5 | 1 января 2025 г.-31 декабря 2025 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: | ||
| 6 | 1 января 2026 г.-31 декабря 2026 г. | Разработка новых экспериментальных и математических методов анализа и исследование принципов организации когнитивных нейронных сетей мозга животных и человека |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".