help@sochisirius.ru
5-28 июля 2021

Нейротехнологии и природоподобные технологии

Одно из 12-ти направлений научно-технологической
проектной образовательной программы «Большие вызовы»

Информационная поддержка программы — konkurs@sochisirius.ru

Все направления программы «Большие вызовы-2021»

 

О направлении

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.

Один из примеров проекта, который школьники могут вести в рамках конкурса, — создание устройства для отслеживания психофизического состояния человека по движению его зрачков. Для такого устройства понадобятся: камера, разработка корпуса и метода обработки информации. Областью применения установки могут стать профессии с высоким уровнем психофизического напряжения, исследовательские центры, медицинская диагностика.

Проекты направления

1. «Раскрасить» бегонию в фиолетовый цвет
2. Историческое материаловедение: исследование органических и биоорганических компонентов объектов культурного наследия
3. МРТ мысленного действия
4. Биоразлагаемые полимерные имплантаты: от синтеза материалов до 3D-печати персонализированных изделий
5. Создание системы управления протезом на базе BCI
6. Царь-рыбы Петровской Руси

Описание проектов
 

1. «Раскрасить» бегонию в фиолетовый цвет

Руководители проекта: Тихонова Н.Г., Рахмангулов Р.С.

Аннотация: Палитру цветов от нежно-розового и голубого до красного, темно-синего и фиолетового обеспечивает сочетание разных модификаций природных пигментов, которые называют антоцианами. У некоторых видов декоративных растений, к которым относится и бегония, отсутствуют вещества, обеспечивающие голубой, синий и фиолетовый оттенки. Данная модификация антоцианов — это дельфинидины. На основе традиционной селекции восстановить синтез дельфинидинов у бегонии невозможно. Выдвинута гипотеза о том, что при помощи направленного мутагенеза можно исправить ошибки в генах бегонии, отвечающих за синтез дельфинидинов. Самый современный и удобный метод направленного мутагенеза — технология генетического редактирования CRISPR/Cas.

Первый этап такой работы — выявить и изучить потенциальные гены-мишени для внесения мутаций. Получение фиолетовой бегонии может стать первым объектом большого проекта, интересного с практической точки зрения для Федеральной территории «Сириус», где в рамках развития Зеленой платформы планируется создание так называемой фиолетовой траектории. Фиолетовая траектория — это конвейер декоративных растений, листья, цветы и плоды которых имеют различные оттенки фиолетового цвета.

Данный проект направлен на выявление гена-мишени, отвечающего за фиолетовую окраску венчика у Begonia L. С использованием методов in silico анализа на основе широкого набора декоративных растений будут выявлены консервативные мотивы структурных генов биосинтеза антоцианов DFR и F3`5`H, кодирующих ферменты, мутации в которых могут влиять на наличие или отсутствие дельфинидинов. Эти гены будут клонированы и секвенированы у бегонии, имеющей розовый венчик. Будут спроектированы необходимые мутации и сконструирована направляющая РНК для последующего редактирования.

В процессе работы кроме широкого спектра методов компьютерного анализа нуклеотидных последовательностей будут использованы методы: ПЦР, разделение продуктов ПЦР в агарозном геле; выделение, очистка фрагментов ПЦР и секвенирование их методом Сэнгера. Таким образом, будут охарактеризованы гены бегонии, значимые для синтеза дельфинидинов, и разработан подход для дальнейшего создания растений с фиолетовым венчиком на основе генетического редактирования.

Партнер проекта: Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова

 

2. Историческое материаловедение: исследование органических и биоорганических компонентов объектов культурного наследия

Руководители проекта: Терещенко Е.Ю., Дробышев А.В.

Аннотация: Комплексный междисциплинарный подход к изучению археологических находок позволяет узнать состав древних материалов, определить технологию их изготовления и ответить на другие вопросы культурно-исторического характера. При этом важную дополнительную информацию может дать сочетание естественно-научных исследований и методов экспериментальной археологии, которая занимается реконструкцией древних технологий и моделированием процессов старения предметов. Так, например, идентификация жиров — липидов, которые иногда сохраняются на керамических сосудах, — позволяет делать выводы о приготовлении в этих сосудах определенных продуктов питания. Таким образом, анализ химического состава  органических и биоорганических компонентов может дать представление о многих подробностях жизни древнего человека.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

 

3. МРТ мысленного действия

Руководители проекта: Карташов С.И., Скитева Л.И.

Аннотация: При выполнении проекта дети ознакомятся с современными методами визуализации головного мозга и его активности. Ребята научатся ставить интересные научные задачи, планировать эксперимент внутри магнитно-резонансного томографа, а также получат навык обработки томографических данных. Проект будет направлен на изучение актуального вопроса определения регионов головного мозга, которые отвечают за реальное и мысленное действие. Результатом проекта будут построенные карты активности головного мозга, которые могут быть использованы в различных областях: медицина, мозг-компьютерные интерфейсы, физическая подготовка спортсменов.

Проект является упрощенным курсом для введения в востребованную профессию медицинского физика. 

Работа по проекту будет разделена на несколько этапов:

1. Изучение теоретических аспектов строения и работы головного мозга (биологические аспекты).
2. Знакомство с функциональными атласами головного мозга (нейрофизиологические аспекты) + нейропластичность и нейрогенез.
3. Постановка задачи и разработка дизайна нейрофизиологических задач.
4. Удаленное участие в МРТ.
5. Знакомство со структурой данных МРТ.
6. Обработка данных МРТ.
7. Сравнение результатов фМРТ реального и мысленного действия.
8. Выводы.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

 

4. Биоразлагаемые полимерные имплантаты: от синтеза материалов до 3D-печати персонализированных изделий

Руководители проекта: Седуш Н.Г., Гомзяк В.И.

Аннотация: Биоразлагаемые имплантаты применяются в хирургии, травматологии, регенеративной медицине, в системах высвобождения лекарств. Такие временные конструкции самых различных форм и размеров перспективны для лечения переломов и травм, восстановления дефектов костей и других тканей. Технологии аддитивного производства открывают возможность изготовления персонализированных биомедицинских изделий сложной формы, спроектированных специально для пациента. В отличие от аналогов из металла, имплантаты из биоразлагаемых полимеров бесследно исчезают после выполнения своей функции. В зависимости от назначения имплантат должен обладать заданным комплексом свойств и контролируемым сроком биодеградации.

В проекте предлагается познакомить участников с методами синтеза и модификации биодеградируемых полимеров на основе лактида, принципами «управления» свойствами и кинетикой деградации таких материалов за счет изменения их молекулярной и надмолекулярной структуры. Следующий блок будет посвящен технологиям изготовления полимерных материалов и изделий биомедицинского назначения (в том числе применению 3D-печати в биомедицине), приемам для создания функциональных имплантатов, обладающих свойствами памяти формы и высвобождающих лекарственные вещества. Будет дан обзор основных методов исследования полимерных материалов и изделий.

В практической части проекта участники, разделенные на группы, смогут разработать прототипы биоразлагаемых имплантатов с применением технологий FDM 3D-печати и УФ-отверждения, исследовать их основные свойства и провести модельный эксперимент по гидролитической деградации.

Партнер проекта: Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

 

5. Создание системы управления протезом на базе BCI

Руководители проекта: Биктимиров А.Р., Дмитриев Б.Е., Боева Н.Е.

Аннотация: Разработка алгоритма распознавания и интерпретации данных электроэнцефалографии (далее — ЭЭГ) и сопоставление с жестами симуляции верхней конечности. Работа по проекту будет разделена на следующие этапы:

1. Изучение основ анатомии и физиологии центральной и периферической нервной системы.
2. Съем и регистрация данных ЭЭГ, работа на оборудовании и в соответствующем программном обеспечении, участие в исследованиях в качестве испытуемого.
3. Подбор и разработка нейросетевых алгоритмов для распознавания паттернов ЭЭГ.
4. Программирование интерфейса протеза.

Партнер проекта: Дальневосточный федеральный университет, ООО «Моторика»

 

6. Царь-рыбы Петровской Руси

Руководители проекта: Швачко Н.А., Семилет Т.В., Щербаков Ю.С., Дементьева Н.В.

Аннотация: В настоящее время важно проводить работы не только по сохранению биоразнообразия, но и по изучению возможности восстановления биоразнообразия. Данный проект является подходом и одним из этапов восстановления популяции осетра в бассейне Финского залива, его восточной российской части и Ладожском озере. 

Осетрообразные являются одними из наиболее древних ныне живущих лучеперых рыб. Со времен возникновения Древнерусского государства и по настоящее время осетры имеют важное промысловое значение. Исконно представителей семейства Acipenseridae называли красной рыбой, так как мясо и знаменитая черная икра являются очень ценными продуктами. Поскольку сведения о видовой принадлежности осетров, обитавших в прошлом на территории Балтийского моря, немногочисленны и достаточно противоречивы, необходимо провести молекулярно-генетическое исследование костных останков древних осетров и выявить аборигенную популяцию. Во время раскопок кухни Меньшиковского дворца были найдены костные щитки осетровых, согласно историческим данным добытых из Балтийского моря.

В связи с этим в рамках данного проекта предполагается:

1. Подбор оптимального метода для выделения наиболее качественной ДНК из костных останков древних рыб  представителей семейства Acipenseridae. Выбранный нами метод позволит выделить и очистить максимально возможное количество древней ДНК.
2. Проведение полимеразной цепной реакции (ПЦР) на «древней» ДНК с использованием видоспецифичных маркеров
3. Установление возможной близости древних осетров к современным по сохранившимся фрагментам древней ДНК.

Полученные результаты будут использоваться для установления филогенетических отношений между древними и современными видами осетров, а также для восстановления популяции балтийского (атлантического) осетра.

Партнер проекта: Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова, Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и разведения сельскохозяйственных животных

Эксперты и руководители проектов

Тихонова
Надежда Геннадьевна

И.о. заведующего отделом генетических ресурсов плодовых культур Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова, кандидат биологических наук

Рахмангулов
Руслан Султанович

Старший научный сотрудник лаборатории постгеномных исследований Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова, кандидат биологических наук

Терещенко
Елена Юрьевна

Заместитель начальника лаборатории естественно-научных методов в гуманитарных науках Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Дробышев
Алексей Владимирович

Специалист Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Карташов
Сергей Иванович

Лаборант-исследователь Ресурсного центра ядерно-физических методов исследования, и.о. заместителя руководителя лаборатории прикладной и экспериментальной психофизиологии Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Скитева
Людмила Игоревна

Инженер-исследователь лаборатории прикладной и экспериментальной психофизиологии КК НБИКС-пт Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»

Седуш
Никита Геннадьевич

Начальник лаборатории полимерных материалов ККНБИКС-пт Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», кандидат физико-математических наук

Гомзяк
Виталий Иванович

Инженер-исследователь лаборатории полимерных материалов ККНБИКС-пт Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», кандидат химических наук

Биктимиров
Артур Рамилевич

Врач-нейрохирург Медицинского центра Дальневосточного федерального университета, аналитик Центра НТИ по нейротехнологиям, технологиям виртуальной и дополненной реальности ДВФУ

Дмитриев
Богдан Евгеньевич

Специалист департамента технологических проектов дирекции технологического предпринимательства Дальневосточного федерального университета, руководитель направления «Нейротехнологии» Центра проектной деятельности ДВФУ

Боева
Наталья Евгеньевна

Главный специалист департамента довузовского образования Дальневосточного федерального университета

Швачко
Наталия Альбертовна

Старший научный сотрудник, заведующая лабораторией постгеномных исследований Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова

Семилет
Татьяна Вячеславовна

Младший научный сотрудник лаборатории постгеномных исследований Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И.Вавилова

Щербаков
Юрий Сергеевич

Младший научный сотрудник лаборатории молекулярной генетики Всероссийского научно-исследовательского института генетики и разведения сельскохозяйственных животных

Дементьева
Наталия Викторовна

Ведущий научный сотрудник, заведующая лабораторией молекулярной генетики Всероссийского научно-исследовательского института генетики и разведения сельскохозяйственных животных

Руководители направления

Дьякова
Юлия Алексеевна

Заместитель директора по научной работе НИЦ «Курчатовский институт», член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию, кандидат физико-математических наук

Чубова
Надежда Михайловна

Директор Департамента образовательной деятельности и молодежной политики НИЦ «Курчатовский институт», член Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах Совета при Президенте Российской Федерации по науке и образованию, методист программы «Большие вызовы» (2019, 2020), кандидат физико-математических наук

Подать заявку
© 2015–2021 Фонд «Талант и успех»
Нашли ошибку на сайте? Нажмите Ctrl(Cmd) + Enter. Спасибо!