Нейротехнологии и природоподобные технологии

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.

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