Федеральная целевая программа

Федеральная целевая программа
«Исследования и разработки по приоритетным
направлениям развития научно-технологического
комплекса России на 2014—2020 годы»
Соглашение
14.581.21.0016 от 14.10.2015
на период 2015 - 2017 гг.
Тема: Разработка методов, технологий и платформ для
исследований функционирования нервных систем на
основе создания высокоразрешающей информационной
модели кортикальных структур мозга
Руководитель проекта: директор Института биологии и биомедицины
ННГУ им. Н.И. Лобачевского Семьянов Алексей Васильевич
Науки о жизни
Участники проекта
Получатель субсидии:
ФГАОУ ВО Нижегородский
государственный университет им. Н.И. Лобачевского
Индустриальный партнёр:
ООО «НИАГАРА КОМПЬЮТЕРС»
Финансовая поддержка исследовательских работ
(внебюджетное финансирование)
2015
2016
Всего
ПНИ-1
10 млн. руб.
7 млн. руб.
17 млн. руб.
ПНИ-2
10 млн. руб.
7 млн. руб.
17 млн. руб.
Соисполнители:
1. ФГАУ «Государственный научноисследовательский институт информационных
технологий и телекоммуникаций»
2. ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
2
Связанные соглашения комплексного проекта
1. Соглашение № 14.607.21.0117, на период 2015-2016 гг. (ПНИ-1).
Тема: «Разработка модели распознавания и фиксации новой
информации в кортикальной микроколонке», организацияполучатель субсидии ФГБУН Институт проблем лазерных и
информационных технологий РАН
1. Соглашение № 14.608.21.0001 на период 2015-2016 гг. (ПНИ-2).
Тема: «Разработка технологий для репрезентации функций
кортикальных структур in silico», организация–получатель
субсидии ФГАОУ ВПО Национальный исследовательский
университет «Высшая школа экономики»
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
3
Цель проекта 1.4:
разработка высокоразрешающей информационной модели кортикальных
структур мозга, представляющей собой программный комплекс «3D Атлас
нейроглии кортикальных колонок мозга крысы / мыши», способной заложить
основу
трансляционных
центральной
нервной
исследований
системы
в
области
млекопитающих
функционирования
(нейробиологических,
фармакологических, токсикологических и иных исследований), а также базу
для формирования нового класса стратегических технологий – искусственных
когнитивных систем.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
4
Цели связанных проектов 1.3:
1. ПНИ-1: разработка цитоархитектонической модели аллокации
новой когнитивной информации в нейроны кортикальной
микроколонки мозга мыши, позволяющей визуализировать
геномный ответ на когнитивную стимуляцию клеток коры
головного
мозга
и
содержащую
информацию
о
цитоархитектонике клеток, а также разработка метода
оптического картирования геномного ответа нейронов в коре
головного мозга млекопитающих для исследования процессов
распознавания и долговременной фиксации когнитивной
информации.
2. ПНИ-2: разработка математической модели обработки
сигналов в нейронах и глиальных клетках (астроцитах) и
экспериментального образца программного обеспечения,
обеспечивающих компьютерное моделирование передачи
нервной активности в сверхбольших нейрон-глиальных сетях
кортикальных
структур
головного
мозга
с
числом
моделируемых синапсов в сети не менее 50 млн. единиц.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
5
Ключевые задачи проекта
1.
Разработать
программный
комплекс
«3D
Атлас
нейроглии
кортикальных колонок мозга крысы / мыши» на основе сверхбольшого
высокодоступного
(архитектурные),
цифрового
каталога,
функциональные
содержащего
(молекулярные)
структурные
данные,
а
также
результаты исследований аллокации новой когнитивной информации в
нейроны кортикальной колонки мозга крысы / мыши (выполняемых в рамках
ПНИ-1 «Разработка модели распознавания и фиксации новой информации
в кортикальной микроколонке»).
2. Создать генноинженерные (оптогенетические, хемогенетические и
др.) конструкции для специфического мечения астроцитов в кортикальных
колонках мозга крысы / мыши.
.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
6
Ключевые задачи проекта
3. Разработать методику для определения роли астроцитов в
синапсе, в частности, в процессе передачи нервного импульса
(построение
астроконнектома),
и
симуляции
синапса
и
его
физиологической активности с применением программного обеспечения
и алгоритмов, обеспечивающих моделирование передачи нервного
импульса в сверхбольших нейроглиальных сетях (разрабатываемых в
рамках ПНИ-2 «Разработка технологий для репрезентации функций
кортикальных структур in silico»).
4.
Разработать
методику
формирования
трехмерной
нейроглиальной культуры клеток с возможностью формирования
полноценных синапсов in vitro.
5.
Разработать
методы
исследования
функционирования
нервных систем на основе разработанного 3D Атласа
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
7
Ожидаемые результаты проекта
1. Программный комплекс «3D Атлас нейроглии
кортикальных колонок мозга крысы / мыши», на
основе
сверхбольшого
высокодоступного
цифрового каталога, содержащего структурные
(архитектурные),
функциональные
(молекулярные) данные, а также результаты
исследований аллокации новой когнитивной
информации в нейроны кортикальной колонки
мозга крысы / мыши (полученные в рамках ПНИ-1)
2.
Генноинженерные
конструкции
для
специфического
мечения
астроцитов
в
кортикальных колонках мозга крысы / мыши и
результаты исследования изменений в α- и βадренергических, пуринергических и G-белок
зависимых сигнальных путях in vitro в
трансфецированных
генетическими
конструкциями клетках.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
8
Ожидаемые результаты проекта
3.
Методика
формирования
трехмерной
нейроглиальной
культуры
клеток
с
возможностью формирования полноценных
синапсов in vitro
4. Методика для определения роли астроцитов в
синапсе, в частности, в процессе передачи
нервного
импульса
(построение
астроконнектома), и симуляции синапса и его
физиологической активности с применением
программного
обеспечения и алгоритмов,
обеспечивающих
моделирование
передачи
нервного
импульса
в
сверхбольших
нейроглиальных сетях (разрабатываемых в
рамках ПНИ-2)
5. Методы исследования функционирования
нервных систем на основе разработанного 3D
Атласа.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
9
Перспективы практического использования
Область применения 3D Атласа:
• биомедицинские исследования и разработки в области изучения мозга;
• симуляция функционирования мозга с использованием возможностей
высокопроизводительных вычислений и современных суперкомпьютеров;
• фундаментальные нейробиологические исследования;
• разработка новых терапевтических стратегий при коррекции различных
заболеваний нервной системы.
Результаты практического использования:
• снижение
суммарных
затрат
на
проведение
экспериментальные
исследования в области нейробиологии и биомедицины,
• развитие в России отрасли разработки наукоёмких программных продуктов
и высокопроизводительных вычислений для научных задач.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
10
Результаты исследовательской работы, полученные в
2015 г.
Работы 1 этапа по проекту 1.4
«Разработка
методов,
технологий
и
платформ
для
исследований
функционирования нервных систем на основе создания высокоразрешающей
информационной модели кортикальных структур мозга»
1. Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической
литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках
ПНИЭР;
2. Патентные исследования в соответствии с ГОСТ 15.011-96;
3. Выбор и обоснование направления исследований;
4. Теоретические и анатомические исследования нервных и глиальных компонентов
кортикальной микроколонки и составляющих её слоёв;
5. Экспериментальные исследования физиологической активности астроцитов в
кортикальных колонках посредством измерения активности Ca2+-зависимых
внутриклеточных сигнальных каскадов.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
11
Работы 1 этапа по связанным проектам 1.3
ПНИ-1 «Разработка модели распознавания и фиксации новой информации в
кортикальной микроколонке»
Работы, выполняемые за счет средств субсидии:
1. Аналитический
обзор
современной
научно-технической,
нормативной,
методической литературы;
2. Проведение патентных исследований;
3. Обоснование выбора направления исследований в рамках ПНИ;
4. Проведение теоретических исследований возможностей по усовершенствованию
методов картирования геномного ответа нейронов головного мозга;
5. Разработка метода оптического картирования геномного ответа нейронов в коре
головного мозга млекопитающих;
6. Разработка концептуальной модели нейрон-глиальной сети для исследования
аллокации новой когнитивной информации в нейроны кортикальной
микроколонки головного мозга мыши.
Работы, финансируемые за счет внебюджетных средств:
1. Разработка методики оценки интенсивности геномного ответа кортикальных
нейронов при когнитивном стимуле;
2. Разработка программной модели спайковой нейронной сети и проведение
предварительных вычислительных экспериментов по изучению механизмов
формирования следов памяти.
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
12
ПНИ-2 «Разработка
структур in silico»
технологий
для
репрезентации
функций
кортикальных
Работы, выполняемые за счет средств субсидии:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы.
Проведение патентных исследований
Выбор и обоснование направления исследований.
Теоретические исследования объектов моделирования и существующих информационных
моделей обработки сигналов в нейронах и глиальных клетках (астроцитах) кортикальных
структур головного мозга.
Разработка набора методов математической редукции сложных с вычислительной точки зрения
моделей отдельных элементов СНГС.
Разработка математической модели обработки сигналов в нейронах и глиальных клетках
(астроцитах).
Разработка математических моделей, воспроизводящих процессы генерации нейронными
ансамблями нормальной и патологической биоэлектрической активности.
Разработка математических моделей нейронных ансамблей, генерирующих многочастотные
электрические сигналы.
Работы, финансируемые за счет внебюджетных средств:
1.
2.
3.
Разработка математических моделей обработки информационных сигналов на различных
уровнях организации центральной нервной системы.
Проведение численных расчётов математических моделей нейронных ансамблей, генерирующих
многочастотные электрические сигналы.
Разработка математической модели нейронных ансамблей, составляющих кортикальную
микроколонку, проведение аналитических и численных расчетов генерации периодической
активности в этой модели
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
13
Состояние выполнения запланированных
индикаторов на 2015 год
Наименование
индикатора
Единица
измерения
ПНИЭР (1.4)
ПНИ-1 (1.3)
ПНИ-2 (1.3)
План
Выполнение
План
Выполнение
План
Выполнение
Число публикаций,
индексируемых в базе
данных Scopus или в
базе данных WEB of
Science, не менее
единиц
0
0
0
0
0
0
Число патентных
заявок, не менее
единиц
0
0
0
0
1
1
Доля исследователей
в возрасте до 39 лет
%
67
70
55
74
50
60
Число завершенных
проектов ПНИЭР,
готовых к переходу в
стадию ОКР
единиц
0
0
-
-
-
-
Объем привлеченных
внебюджетных
средств
Млн.руб.
-
-
10
10
10
10
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
14
Спасибо за внимание!
Докладчик:
Руководитель центра развития биотехнологий
ННГУ им.Н.И. Лобачевского
д.б.н., проф. Ирина Васильевна Мухина
Соглашение №<номер>
ФЦП ИР
2014-2020
15