Лаборатория математической нейробиологии обучения

Лаборатория математической нейробиологии обучения специализируется на междисциплинарных исследованиях в области двигательного управления, биомеханики, вычислительной нейробиологии и нейроинтерфейсов.

Основные направления текущих работ

• изучение физиологических основ и поиск клинических применений нейроинтерфейсов;
• поиск маркеров восстановления двигательных и когнитивных функций в ходе реабилитации после инсульта, черепно-мозговой травмы, ДЦП;
• поиск маркеров зеркальной иллюзии и фантомного синдрома;
• исследования с использованием инвазивной ЭЭГ, решение отдельных задач в области инвазивных нейроинтерфейсов;
• изучение механизмов управления двигательными синергиями;
• исследование скрытых процессов планирования и подготовки к выполнению сложных движений;
• исследование механизмов проприоцептивной чувствительности и разработка методов ее объективной оценки при различных патологиях;
• восстановление сенсомоторных и когнитивных функций при пробуждении от сна.

Наши партнеры

Исследования лаборатории проводятся совместно с коллективами Пироговского университета, Российского центра неврологии и нейронаук, Московского областного научно-исследовательского клинического института им. М. Ф. Владимирского, НИМЦ ЛРЦ Минздрава России.

Методы исследований

Основными инструментальными методами исследований, проводимых с участием сотрудников лаборатории являются: электроэнцефалография, электромиография, спектроскопия в ближней инфракрасной области, инвазивная ЭЭГ (совместно с клиническими партнерами), регистрация движений с помощью электромагнитных либо оптических систем, видеоанализ движений.

Основные результаты

• расчет информационной емкости нейронной сети при различных механизмах ее пластичности;
• разработка методов Булевского факторного анализа, в том числе на основе нейронных сетей, способных формировать ансамбли, кодирующие объекты внешнего мира без учителя, только на основе учета статистических особенностей сигналов, поступающих в мозг от этих объектов;
• создание нейросетевой модели сенсомоторной интеграции и формирования оценки размерности окружающего пространства;
• создание модели долговременной потенциации и депрессии на основе фосфорилирования синаптических рецепторов, объясняющей, почему сходные изменения на уровне нейронной активности приводят к различным последствиям на уровне синаптической пластичности в гиппокампе и мозжечке;
• разработка методов описания движения в терминах индивидуальных суставных углов поворота вокруг неортогональных осей, которые определяются геометрией суставов;
• описание двигательных синергий высокоточных рабочих движений руки в зависимости от степени овладения двигательным навыком;
• разработка концепции собственных движений (eigenmovements) – двигательных синергий, управление которыми нервная система может осуществлять независимо и устойчиво даже при наличии значительных задержек в петле сенсомоторной обратной связи;
• создание инструментальных методов объективной оценки нарушений проприоцептивной чувствительности;
• организация и участие в масштабных междисциплинарных межорганизационных проектах по применению нейроинтерфейсов в реабилитации двигательных нарушений, в результате которых был создан первый в России реабилитационный комплекс, включающий нейроинтерфейс, получивший регистрационное удостоверение медицинского изделия;
• описание паттернов электрической и метаболической (гемодинамический ответ) активности мозга, наиболее специфичных для выполнения задач на двигательное представление ри управлении нейроинтерфейсом у в норме и у постинсультных больных, а также у детей с диагнозом ДЦП;
• разработка нейроинтерфейса, основанного на спектроскопии в ближней инфракрасной области и исследование его клинических применений;

Краткая история лаборатории

Лаборатория математической нейробиологии обучения была создана в 1970 году вначале как группа физиологической кибернетики. В 1978 году группа получила статус лаборатории, а в 1989 году получила современное название. С 1972 по 2018 год лабораторией руководил её создатель и идейный вдохновитель, д.б.н., к.ф-м.н., профессор Александр Алексеевич Фролов (1943-2020).

С начала создания и до начала 90-х годов ХХ-го века основной обязанностью лаборатории было оказание помощи сотрудникам Института в обработке и анализе получаемых экспериментальных данных на общеинститутских вычислительных машинах, техническое обслуживание которых также входило в обязанности лаборатории. В это же время велась активная работа по разработке нейронных моделей ассоциативной памяти.

Начиная с 90-х годов в лаборатории сформировались такие направления как разработка методов регистрации и анализа движений, анализ инструментальных движений у высококлассных специалистов, диагностика различных патологий и оценка хода восстановления движений при момощи биомеханического анализа, разработка моделей двигательного управления, исследования работы мозга на основе решения обратной задачи электроэнцефалографии (ЭЭГ) и биофизические модели синаптической пластичности. Исследования в области моделирования управления движением со стороны центральной нервной системы велись в тесном сотрудничестве с Национальным Центром Научных Исследований Франции (CNRS) и клиникой Университета Фрайбурга (Германия), а исследований мозговой активности на основе анализа ЭЭГ – в сотрудничестве с Институтом информатики Чешской Академии Наук.

Список сотрудников

Список публикаций