Природоподобные и нейротехнологии

В последние годы ученые все чаще обращаются за вдохновением к природе. Их мотивы понятны: природа отлаживала жизненно важные процессы в течение десятков тысяч лет. Можно у нее поучиться, чтобы сделать нашу жизнь комфортнее и безопаснее.

Биомиметика — это наука о структуре и функциях биологических систем как моделях для разработки и создания материалов и механизмов. Сейчас, с развитием нанотехнологий, она получила мощный импульс. Появились бионические роботы — механизмы, созданные на основе идей, подсмотренных в природе, либо внешне напоминающие живых существ (зооморфы).

Нейроинтерфейс в широком смысле слова — это система, осуществляющая взаимодействие между мозгом человека и машиной, что позволяет производить обмен информацией. В современном мире используются однонаправленные нейроинтерфейсы, когда человек посылает сигналы и команды для компьютера. А вот двунаправленные интерфейсы, позволяющие осуществлять обоюдное взаимодействие, пока дело будущего, хоть и ближайшего.
 

Партнер: НИЦ Курчатовский институт

1. Взаимоотношения микроорганизмов и растений: стимулирование роста, повышение урожайности и защита от вредителей

Аннотация: Микроорганизмы–симбионты, живущие на поверхности растений и их корневых системах, выполняют важную роль в жизни растений: обеспечивают растения питательными веществами, стимулируют их рост, повышают урожайность, а также защищают растения от вредителей. На примере 2-х промышленно значимых сельскохозяйственных культур: люцерны и винограда, будет продемонстрирован эффект микроорганизмов–симбионтов на развитие растений и их защиту от патогенов.

2. Оператор лунохода: психофизиология эффективного управления, возможности сопоставления с данными experimental neuroscience»

Аннотация: Представьте ситуацию: вы будете управлять луноходом на чужой планете. Вокруг — абсолютная темнота, связь с Землёй нестабильна, а вам необходимо оперативно обогнуть опасный кратер. Как ваш организм отреагирует на такой экстремальный стресс? Почему одни операторы справляются с подобными задачами лучше других? Наш проект будет исследовать именно эти вопросы — мы изучим нейрофизиологические и психологические механизмы, позволяющие человеку эффективно работать в экстремальных условиях: в космосе, под водой или в арктических широтах.
В ходе исследования мы будем применять полиграф (известный также как "детектор лжи"). Этот прибор позволит нам регистрировать динамику различных физиологических параметров: частоту сердечных сокращений, характеристики дыхания, кожно-гальваническую реакцию и другие показатели в процессе решения оператором сложных задач. Параллельно мы будем исследовать аналогичные параметры у приматов — павианов и лемуров. Мы предполагаем обнаружить значительное сходство физиологических реакций, что подтвердит возможность использования приматов в трансляционных исследованиях стрессовых состояний. 
Ключевой частью исследования станет эксперимент с симулятором лунохода. Участники будут выполнять задачи по управлению виртуальным аппаратом, в то время как мы будем мониторить их психофизиологическое состояние. Мы ожидаем выявить корреляцию между успешностью выполнения задач и индивидуальными особенностями участников. Особое внимание мы уделим когнитивным стилям операторов — аналитическому (последовательному) и холистическому (системному) мышлению и проверим – влияет ли это на успешность операторской деятельности.
Полученные результаты позволят нам разработать усовершенствованные методы подготовки операторов сложных технических систем. Понимание механизмов работы организма в условиях экстремальных нагрузок даст возможность оптимизировать процесс отбора кандидатов и разработать персонализированные программы тренировок, направленные на снижение утомляемости и минимизацию ошибок. В рамках проекта будет организован лекционный модуль с участием ведущих специалистов в области нейробиологии, антропологии, психологии, зоопсихологии и компьютерного моделирования. По завершении исследования мы подготовим две научные публикации в рецензируемые журналы. Реализация предложенных методик в будущем может быть полезна при отборе и подготовке космонавтов, подводников и других специалистов, работающих в экстремальных условиях. Наш проект демонстрирует, как фундаментальные научные исследования могут находить практическое применение в решении актуальных задач современности.

3. Рентгеновские исследования тонких пленок перспективных функциональных материалов: от солнечной энергетики до детекторов нового поколения

Аннотация: Применение тонких пленок перовскитных материалов позволит решить целый комплекс задач в создании нового поколения фоточувствительных элементов, как в области солнечной энергетики, так и для разработки новых детекторов рентгеновского излучения. Подобные перовскитные элементы могут не уступать в ключевых характеристиках существующим элементам, но значительно сократить их стоимость и упростить технологии производства.

4. Полимерный аэрогель для структурного и функционального восстановления поврежденного спинного мозга

Аннотация: По сравнению с другими тканями, спинной мозг имеет ограниченную способность к самовосстановлению. В настоящее время методы лечения восстановления спинномозговой травмы включают хирургические подходы к спинальной декомпрессии, улучшение кровообращения, применение противовоспалительных и нейротрофических препаратов, трансплантацию периферических нервов, клеточную терапию, трансплантацию биоматериалов и реабилитацию. Однако лечение травмы спинного мозга остается клинически сложным, а существующие терапевтические методы имеют ограниченную эффективность в содействии восстановлению нервной функции. Исследования показали, что поврежденные аксоны могут регенерироваться и обеспечивать частичную первоначальную функцию нервной проводимости при соответствующих терапевтических вмешательствах и подходящей микросреде. Соответствующие каркасы тканевой инженерии, имплантированные в поврежденный спинной мозг, могут улучшить микросреду, способствовать восстановлению и обеспечить возможное решение для преодоления проблем спинномозговой травмы. Трансплантация каркасов, созданных с помощью тканевой инженерии, стала новым методом решения проблемы функционального восстановления нервов. Для достижения этой цели каркасы должны обладать хорошей биосовместимостью, чтобы способствовать пролиферации и дифференциации нервных клеток. Они также должны иметь определенные морфологические структуры, чтобы вызывать направленный рост и структурное ремоделирование нервных тканей и в конечном итоге способствовать структурному и функциональному восстановлению поврежденного спинного мозга. Таким образом, данный проект направлен на создание технологии производства высокопористых полимерных материалов с заданной структурой и свойствами для восстановления нервной ткани.