КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 19-72-10030
НазваниеМатематическое и радиофизическое моделирование эпилептической активности мозга сложными сетями нейроосцилляторов
Руководитель Сысоев Илья Вячеславович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-402 - Нелинейные колебания и волны
Ключевые слова математическое моделирование, реконструкция параметров, модели нейронов, колебательные контуры, связанные генераторы, эпилепсия, синхронизация, нейронные сети, энцефалограмма
Код ГРНТИ29.03.77
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Моделирование электромагнитной активности мозга — фундаментальная междисциплинарная проблема, для решения которой в настоящее время задействованы значительные силы (Blue Brain Project, The Human Brain Project и др.), но заявленные цели пока не достигнуты, в том числе потому, что ставилась цель моделирования всего мозга в целом, а не отдельных его структур или режимов функционирования. При этом во многих работах в области теоретической нелинейной динамики было показано, что топология связанности в сети может играть решающую роль в её работе, в способности воспроизводить различные режимы поведения, как нормальные, так и патологические (Boccaletti et al., Complex networks: Structure and dynamics, Physics Reports, 2006 424 (4-5), 175-308; Масленников & Некоркин. Адаптивные динамические сети, УФН, 2017 187 745–756). Моделирование мозга имеет много практических выходов и аспектов: понимание на новом уровне механизмов памяти, мышления, обучения, старения, а также исследование патофизиологических механизмов возникновения, развития и ремиссии различных неврологических заболеваний, из которых наиболее распространённым является эпилепсия. Поскольку сетевые механизмы, в том числе синхронизация и подавление колебаний, играют решающую роль в возникновении как генерализованных, так и фокальных форм эпилепсии, к которым относятся абсансная и лимбическая эпилепсии (соответственно), данный проект нацелен на математическое и радиофизическое моделирование электрической активности таламо-кортикальной и кортико-гиппокампальной сетей головного мозга, в первую очередь, на моделирования перехода от нормальной активности к эпилептиформной и обратно.
Новизна проекта заключается в том, что существующие модели эпилепсии представляют собою в основном маломерные системы (см., например, Suffczynski et al., Neuroscience, 2004 126, 467–484), хорошо пригодные для исследования классическими методами качественной теории динамических систем, но неспособные в силу ограниченности числа элементов воспроизводить сетевые эффекты: в них фактически каждая структура мозга или отдельный тип клеток моделируется в виде сосредоточенной системы, что исключает как эффекты внутриструктурных связей (важно для моделирования эпилептического фокуса в неокортексе или гиппокампе), так и эффекты кластеризации и пластичности мозга (способность частично замещать функции утраченных нейронов другими). Поэтому проект предполагает использование больших (от нескольких десятков до нескольких сотен) ансамблей модельных нейронов (нейроосцилляторов) различных типов (модели типа ФитцХью-Нагумо, Моррис-Лекара, Хиндмарш-Роуз и др.), организованных в группы в соответствии с известными физиологическими принципами организации таламо-кортикальных и таламо-гиппокампальных сетей, а также использование различных типов связей между ними. При этом моделирование каждого нейрона отдельно не предполагается. Такой можно представить как аналог метода крупных частиц в СВЧ электронике [Вайнштейн Л.А. Радиотехника и электроника, 1957 Т. 2 № 7, С. 883-894; Вайнштейн Л.А. Радиотехника и электроника, 1957 Т. 2 № 8, С. 1027-1047], когда моделирование ансамбля даёт возможность воспроизвести эффекты взаимодействия между отдельными элементами системы без необходимости воспроизводить динамику всех отдельных элементов. Использование радиофизического моделирования для части элементов ансамбля даёт дополнительную возможность испытания общности полученной модели (экспериментальные генераторы будут неизбежно отличаться от своих математических моделей), а также более реалистично воспроизвести неидентичность элементов ансамбля и неидеальность связей, динамические шумы и шумы измерений.
Актуальность и значимость проекта обусловлены его теоретическим значением (отсутствие в настоящее время адекватных моделей эпилепсии на данном уровне детализации, соответствующих современным представлениям нелинейной динамики, в частности в области сложных динамических сетей) и возможным практическим применением для моделирования электрофизиологических и фармакологических воздействий, как лечебных, так и проэпилептических (провоцирующих приступы), для доклинического исследования лекарственных препаратов и разработки методов предотвращения и прерывания отдельных приступов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ