В России потратят 54 млрд рублей на изучение мозга
В распоряжении СМИ оказался проект программы исследования мозга, подготовленный Российской академией наук и получивший поддержку от Президента России Владимира Путина. Бюджет программы составляет ₽54 млрд. Основными задачами программы являются понимание принципов работы головного мозга, борьба с нейродегенеративными заболеваниями, развитие нейроморфного искусственного интеллекта, создание нейроинтерфейсов «мозг — компьютер» и борьба с «цифровой деменцией».
Программа исследования человеческого мозга
В распоряжении СМИ оказался проект федеральной научно-технической программы исследования мозга «Мозг: здоровье, интеллект, инновации», разработанный Российской академией наук (РАН) и направленный в Министерство науки и высшего образования. Инициатива разработки данного документа исходит от главы РАН Александра Сергеева и ректора Московского государственного университета (МГУ) им. М. В. Ломоносова Виктора Садовничего.
В 2019 г. Александр Сергеев и Виктор Садовничий обратились по данному вопросу к Президенту России Владимиру Путину, после чего началась разработка программы. Осенью 2020 г. Владимир Путин в ответ на письмо Александра Сергеева поручил премьер-министру Михаилу Мишустину и главе Администрации Президента Антону Вайно поддержать данную программу. Сейчас данный вопрос находится на контроле у вице-премьера Татьяны Голиковой.
В июне 2021 г. газета «Коммерсант» писала о данной программе. В Минобрнауки России сначала подтвердили изданию соответствующие планы. Однако после публикации в Минобрнауки, наоборот, заявили о том, что разработка программы исследований головного мозга была признана нецелесообразной. Тем не менее недавно Telegram-канал Hi Tech Low Life написал, что работы по реализации данной программы продолжаются.
Затраты на реализацию программы
Программа рассчитана на 2021–2029 гг. Объем ее финансирования должен составить ₽54 млрд. Ответственным координатором предлагается назначить РАН. Ответственными исполнителями станут Минобрнауки, Министерство здравоохранения, Министерство экономического развития, Минцифры, Минпромторг, Федеральное медико-биологическое агентство и «Госкорпорация «Ростех».
Программа будет состоять из трех мероприятий. Первое мероприятие предусматривает проведение приборного оснащения научных и образовательных организаций, осуществляющих нейронаучные исследования и разработки по направлениям реализации программы, а также создание новых лабораторий, осуществляющих исследования в области определенных программой приоритетных направлений, их техническую и ресурсную поддержку. На эти цели будет выделено ₽24,32 млрд.
В том числе в рамках данного мероприятия запланировано: приборное оснащение организаций, выполняющих исследования и разработки по направлениям, определенным программой; создание сети нейронаучных лабораторий в целях проведения на их базе фундаментальных и поисковых исследований по определенным в программе направлениям; создание и развитие центров коллективного пользования в области нейронаук и нейротехнологий; развитие ресурсных центров (включая центры трансгенных линий животных и сервисы производства вирусных векторов), ресурсных коллекций (включая банк образцов тканей мозга человека) и баз данных.
Второе мероприятие предусматривает проведение научных исследований и разработок по направлениям реализации программ. На эти цели будет направлено ₽27,05 млрд. В том числе в рамках данного мероприятия будут осуществлены поддержка научных и поисковых проектов по направлениям реализации программы, включая проекты, выполняемые исследователями в возрасте от 39 лет, и разработка опытных образцов российского научного оборудования, молекулярных и биологических инструментов для проведения нейронаучных исследований и работ и обеспечения технологической независимости России.
Третье мероприятие предусматривает подготовку высококвалифицированных кадров по направлениям реализации программы, в том числе подготовку и переподготовку кадров. На эти цели будет выделено ₽1,97 млрд. В том числе речь идет о разработке новых образовательных программ по направлениям программы, поддержке стажировок исследователей в возрасте до 39 лет по направлениям программы в ведущих образовательных организациях высшего образования и научных организациях страны и мира, об организации и проведении научных конференций и школ по направлениям программы для исследователей в возрасте до 39 лет.
Для чего нужна программа изучения человеческого мозга
Поведение человека, его социальная и экономическая деятельность базируются на функциях головного мозга, состоящего из сотен миллиардов высокоспециализированных клеток, говорится в тексте программы. Эти функции требуют сегодня особой поддержки в связи с нарастающими объемами информации, оказывающими сильнейшее давление на нервную систему как взрослых, так и детей. Необходимы поиски принципиально новых подходов к усвоению мозгом больших потоков данных и ускоренному освоению новых навыков, в том числе и в зрелом возрасте, в связи со сменой профессии и получением дополнительного образования.
Более 500 видов заболеваний мозга, которые поражают сегодня каждого четвертого жителя Земли, связаны с тяжелыми человеческими страданиями и накладывают большую эмоциональную ношу на его родных и близких, а также экономическое бремя на все общество. С другой стороны, мозг человека является лучшим из известных сегодня интеллектуальных и вычислительных устройств, эффективность которого в определенных задачах на порядки превосходит современные компьютеры и системы искусственного интеллекта. Даже небольшая доля его возможностей, переведенная в цифровые, информационно-коммуникационные, робототехнические и другие технологии, способна радикально трансформировать общество, промышленность и экономику XXI века.
В связи с этим одним из ведущих факторов, определяющих технологический прогресс и оказывающих решающее влияние на все стороны жизни и здоровья общества, в мире сегодня называют развитие нейронаук и основанных на них новых достижений медицины и технологий, включая создание систем искусственного интеллекта следующего поколения – нейроморфного искусственного интеллекта. В настоящее время исследования мозга по своей динамике и приоритетности безоговорочно лидируют не только среди всех других областей биологии и медицины, но и среди более широкого круга научных дисциплин. По данным Web of Science, начиная с 2009 г. число научных публикаций в области нейронауки стало превосходить число публикаций в таких ранее лидирующих науках, как физика и химия.
Еще одной причиной необходимости разработки программы академик Сергеев называл развитие у молодежи нового заболевания – «цифровой деменции». «Для молодого поколения развитых стран, все более «погружающегося» в виртуальную цифровую реальность, констатируется появление нового опасного варианта психоневрологических расстройств, объединенных общим названием «цифровая деменция» и характеризующихся резким снижением когнитивных способностей и творческого потенциала личности, объяснял глава РАН в письме Путину. Данные обстоятельства определяют увеличивающуюся роль фундаментальных исследований мозга, направленных на выяснение причин заболеваний центральной нервной системы, их раннюю диагностику, терапию и своевременную профилактику».
Целью программы является проведение опережающих фундаментальных и прикладных исследований в области нейронаук и технологий в интересах задач национальных проектов по развитию науки, здравоохранения, решения проблем демографии, роста человеческого капитала, укрепления здоровья населения разных возрастных групп, совершенствования образования, а также развития инновационной экономики, основанной на цифровых технологиях и искусственном интеллекте, использующих принципы работы головного мозга.
Мировой опыт программ изучения человеческого мозга
В мире уже давно на государственном уровне поддерживаются программы изучения человеческого мозга. Так, в Европейском союзе (ЕС) действует 10-летний «Проект Мозг Человека»» (Human Brain Project). В нем принимают участие 135 институтов из 26 стран ЕС, он рассчитан на 2013–2023 гг., общий объем его финансирования составляет €1,19 млрд, выделенных ЕС дополнительно к национальному финансированию исследований мозга в каждой из стран.
Основной целью проекта является создание новой парадигмы информационно-коммуникационных технологий, опирающейся на воспроизведение функций человеческого мозга. Этот результат призван обеспечить революцию в информационно-коммуникационных технологиях, нейротехнологиях, искусственном интеллекте, робототехнике, а также испытаниях лекарственных препаратов и методов лечения неврологических и психических заболеваний с использованием суперкомпьютерного моделирования нервной системы.
В США действует 20-летняя программа «Инициатива Мозг» (BRAIN Initiative – Brain Research throught Advancing Innovative Neurotechnologies) с общим объемом финансирования в $4,5 млрд. Ее задачей является разработка прорывных технологий для исследования головного мозга, прежде всего на уровне устройства и работы его клеточных сетей. Программа не ставит целей непосредственного развития диагностики, лечения и предотвращения заболеваний нервной системы, на что Национальный институт здоровья США получает ежегодно около $7 млрд.
Ее главная цель состоит в достижении понимания биологического базиса мыслительных процессов посредством разработки новых гипотез о работе мозга и инструментов для анализа нейробиологических данных. Для этого проект опирается на новейшие достижения в области физики, химии, молекулярной генетики и нанотехнологий. Финансирование разработки новых нейротехнологий двойного назначения в рамках BRAIN Initiative осуществляется через Министерство энергетики и военные ведомства США.
В Японии в 2014 г. был принят 10-летний проект Brain/MINDS (Brain Mapping by integrated Neurotechnologies for Disease Studies). Проект имеет ежегодное финансирование $56 млн, выделяемых помимо прочих государственных и негосударственных средств поддержки исследований мозга. Главная научная цель проекта – понимание нервных основ устройства и функционирования человеческого разума.
Проект включает в себя три направления: создание новой модели изучения головного мозга на животных – использование в нейронаучных исследованиях миниатюрных приматов, мартышек-капуцинов (в проекте будут разработаны методы in vivo и ex vivo исследований структуры и функций этого мозга, проведено его полномасштабное картирование, созданы трансгенные модели основных нервных и психических патологий мозга человека на этих обезьянах); инновационные нейротехнологии будут сфокусированы на сочетании методов молекулярной биологии и генетики с новейшими физическими методами исследований мозга, прежде всего нейрофотоники; нахождение новых биомаркеров нервных и психических заболеваний.
В Китае в 2015 г. была принята программа «Китайский проект Мозга» (China Brain Project) сроком на 15 лет. Ее значение в Китае сравнивают с программой освоения Луны, ее финансирование превышает финансовое обеспечение программы Brain Initiative США. Основная научная цель программы – достижение понимания нервных основ когнитивных функций. Программа решает также две прикладные задачи: разработка новых методов ранней диагностики и лечения заболеваний мозга: разработка технологий нейроморфных когнитивных вычислений, искусственного интеллекта, нейророботики и искусственных когнитивных систем.
Понимание фундаментальных принципов работы головного мозга
Перед современной нейронаукой стоит три основных вызова. Первый из них – это поиск ключа к пониманию фундаментальных принципов работы головного мозга. В настоящее время по исследованию мозга и его функций ежегодно публикуется несколько сотен тысяч научных работ, общее их число, согласно докладу Human Brain Project, превысило 30 млн. Современные исследования мозга проводятся на всех уровнях, от молекулярного до когнитивного.
Огромный прогресс в последние годы был достигнут в расшифровке генов, определяющих развитие и функционирование мозга, в идентификации типов нервных и глиальных клеток, образующих головной мозг, молекулярных медиаторов и механизмов передачи сигналов между нейронами, способов их взаимодействия с глиальными клетками мозга, связей между различными областями и клетками в центральной нервной системе. Знания в этих областях нейронаук не лишены пробелов, но они не выглядят принципиальными. Однако на уровне механизмов высших функций мозга, определяющих суть существования человека, его психической деятельности, все еще царит огромная неопределенность. В настоящее время в мире не существует общепризнанного понимания нервных основ и клеточных механизмов высших психических процессов, и прежде всего сознания.
Проблема сознания волнует человечество с древнейших времен. Сегодня сознание, его природа и эволюция остаются в центре внимания современной нейронауки. Понимание механизмов сознания может существенно повлиять на представление человека о мире и о его собственной природе.
В последние годы в этой области наблюдается колоссальный прогресс, связанный с развитием когнитивной нейробиологии и высокоинформативных нейрофизиологических и нейровизуальных методов исследования головного мозга. Важность понимания нервных основ сознания и механизмов его регуляции и нарушения определяется также острыми практическими необходимостями. С одной стороны, современной клинической неврологии все чаще приходится сталкиваться с новой категорией пациентов, «пробудившихся» через несколько дней или недель пребывания в коме и способных, как правило, к самостоятельному дыханию и поддержанию других жизненно важных функций, но не демонстрирующих осознанной реакции на внешние стимулы. Возможности лечения и реабилитации таких пациентов на сегодняшний день крайне ограничены, поэтому проведение фундаментальных нейробиологических исследований феномена сознания дает надежду на появление новых, эффективных методов восстановления сознания.
С другой стороны, проникновение во внутренние механизмы сознательной деятельности мозга делает сегодня все более реальным появление технологий управления процессами сознания человека, манипуляций его психической деятельностью. Учитывая разработки, ведущиеся в этой области в ряде стран, фундаментальные исследования механизмов регуляции сознания и средств его защиты становятся важным аспектом обеспечения национальной безопасности. Наконец, в рамках разработки нового поколения искусственного интеллекта – нейроморфного интеллекта – уже ведутся исследования возможностей создания систем, обладающих базовыми свойствами сознания. Такие разработки способны существенно повысить эффективность искусственного интеллекта, но они несут и существенные риски. Для понимания получаемых в этих исследованиях результатов и обеспечения конкурентного уровня науки в стране необходима самостоятельная национальная разработка этой ключевой проблемы мозга.
Помимо расшифровки природы сознания, приоритетными задачами фундаментальной нейронауки является также понимание и других высших когнитивных функций мозга, таких как интеллект, память, мышление, принятие решений. Задача познания нервных основ когнитивной деятельности декларируется в качестве основной практически во всех современных национальных проектах и программах исследований мозга: Human Brain Project, BRAIN Initiative, Brain/MINDS, China Brain Project, Korean Brain Initiative и др. В настоящее время нейронаука продвинулась настолько, что стала возможна разработка новых технологий, которые позволяют приблизиться к пониманию высшей нервной деятельности на всех уровнях, от взаимодействия отдельных нейронов до формирования сложных поведенческих стратегий.
Сегодня фундаментальные исследования мозга, выполняемые с помощью современных инвазивных и неинвазивных методов на всех уровнях функционирования мозга от экспрессии специфических генов до поведения, позволяют понять генетические, молекулярные и клеточные основы развития и функционирования мозга в норме и патологии, молекулярные механизмы межклеточной сигнализации в нервной системе, а также механизмы регуляции функций мозга с помощью эндогенных и экзогенных сигналов, играющих роль эпигенетических факторов.
Особое внимание здесь уделяется изучению молекулярных механизмов нейродегенерации и нейропластичности – комплементарных и взаимосвязанных процессов, которые в значительной мере определяют функционирование мозга на всех этапах онтогенеза – от эмбрионального развития до старения. В соответствии с методологией трансляционной медицины эти фундаментальные знания позволяют создать инновационные технологии воздействия на мозг в норме и, что особенно важно, при патологии. Успехи в этом направлении послужат повышению качества жизни здорового и больного человека.
Трансляционная и клиническая нейронаука
Есть и второй вызов, стоящий перед современной нейронаукой. Медицинская актуальность изучения мозга определяется огромным числом людей, страдающих сегодня теми или иными расстройствами функций нервной системы, а также неуклонным старением населения развитых стран мира и связанным с этим растущим социально-экономическим грузом прогрессирующих возраст-зависимых заболеваний головного мозга, в первую очередь нейродегенативной и сосудистой природы.
По прогнозам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), неврологические и психические заболевания по числу больных и финансовым затратам на лечение и реабилитацию в ближайшие 10 лет переместятся на первое место, опередив сердечно-сосудистые и онкологические патологии. В настоящее время заболеваниями нервной системы страдают около 400 млн жителей Европы, что составляет более трети ее населения, а экономические потери от них ежегодно составляют около €800 млрд. Сходные цифры заболеваемости, по оценкам ВОЗ, существуют и для других стран мира.
По данным Национального института здоровья США, совокупные экономические потери страны в связи с заболеваниями нервной системы составляют более $1 трлн. В России демографический переход является фактором одного из «больших вызовов», обусловленного увеличением продолжительности жизни и старением населения. Это определяет увеличивающуюся роль исследований нервной системы, направленных на выяснение причин развития нейропатологий, их раннюю диагностику, профилактику и терапию, а также поиска средств обеспечения когнитивного здоровья и интеллектуальной работоспособности в зрелом и пожилом возрасте.
Масштабность проблемы и ее значимость могут быть проиллюстрированы на примере нескольких социально значимых заболеваний нервной системы. Так, инсульт является второй по значимости причиной смерти населения во всем мире вследствие высокой заболеваемости (2–3 случая на 1 тыс. жителей в год) и значительной смертности, достигающей в первый месяц с момента развития заболевания 35 %. В США ежегодно происходит 795 тыс. инсультов, около 2,8 % жителей страны перенесли инсульт в прошлом.
По прогнозу ВОЗ, к 2030 г. от болезней, связанных с нарушением мозгового кровообращения, будут умирать 9,7 % населения Земли (для сравнения: от рака трахеи, бронхов и легких – 2,3 %, а от ВИЧ/СПИД – 3,5 %). В России на 2010 г. заболеваемость инсультом составляла 3,27 случая на 1 тыс. жителей, смертность – 0,96 на 1 тыс., а расчетное число всех случаев острого нарушения мозгового кровообращения – около 400 тыс. На сегодня инсульт является ведущей причиной инвалидизации населения, что накладывает огромное финансово-экономическое, социально-медицинское и психологическое бремя на общество.
Не менее драматично складывается ситуация с социально значимыми хроническими нейродегенеративными заболеваниями (НДЗ). Повышенное внимание к проблеме НДЗ во всем мире объясняется следующими факторами: неизлечимостью большинства форм НДЗ, быстро растущим числом больных, что обусловлено увеличением продолжительности жизни и повышением удельного веса пожилых лиц в популяции, а также постепенно возрастающим загрязнением окружающей среды, значительными финансовыми затратами на лечение и реабилитацию пациентов.
По оценке ВОЗ, более 40 млн людей в мире страдают НДЗ, причем эта цифра возрастает до 100 млн в ближайшие 10–15 лет. У лиц старше 60 лет распространенность болезни Альцгеймера составляет около 2–3 % и неуклонно повышается в самых пожилых возрастных группах, достигая почти 50 % у лиц старше 85 лет. Прямые и непрямые расходы, связанные с уходом и помощью пациентам с болезнями Альцгеймера и Паркинсона, достигают только в США $100 млрд ежегодно. Ежегодные затраты на лечение и реабилитацию одного пациента с болезнью Паркинсона составляют около $25 тыс., а пациента с болезнью Альцгеймера – $35 тыс. Все более социально значимой становится проблема нейродегенеративных заболеваний сетчатки глаза, в первую очередь возрастной макулярной дегенерации, приводящих в конечном счете к полной слепоте.
В России число больных, страдающих только болезнями Альцгеймера и Паркинсона, достигает почти 2 млн. Острота этой проблемы со временем будет только возрастать в связи с прогнозируемым увеличением продолжительности жизни в России – к 2024 г. до 78 лет, а к 2030 г. – до 80 лет.
Схожий масштаб характеризует проблемы нейрохирургических вмешательств. По данным Центрального научно-исследовательского института организации и информатизации здравоохранения Минздрава (ЦНИИОИЗ), в 2018 г. в нейрохирургических стационарах России проведено 170 тыс. оперативных вмешательств. Из них 52 тыс. по поводу патологии позвоночника и спинного мозга, 32 тыс. операций – по поводу черепно-мозговой травмы, 27,3 тыс. операций – по поводу новообразований нервной системы, 24,3 тыс. вмешательств – при сосудистой патологии, 16,9 тыс. операций – на периферических нервах.
Таким образом, решение комплекса проблем, связанных с заболеваниями и поражениями нервной системы, а также с фундаментальными основами деятельности головного мозга в норме и при патологии, может быть признано одним из ключевых социальных приоритетов государства. Речь идет о необходимости принятия адекватных и своевременных мер по профилактике, раннему выявлению, лечению и реабилитации заболеваний нервной системы. Последствия острых и хронических поражений нервной системы имеют тяжелый и нередко необратимый характер, вызывая стойкую физическую, психическую инвалидизацию и социальную дезадаптацию в связи с ограниченной способностью нервной системы человека к восстановлению. Это требует разработки и внедрения прорывных персонализированных технологий лечения, реабилитации и профилактики заболеваний нервной системы на основе современных подходов молекулярной и клеточной нейробиологии, нейротрансплантологии, информационных технологий и высокотехнологичной медицины.
В последние годы появились серьезные предпосылки для прорыва в области исследований мозга и трансляционных подходов, ориентированных на клинические нейронауки. В их числе – развитие возможностей многопланового молекулярного профилирования при заболеваниях мозга, разработка персонализированных протоколов нейромодуляции, внедрение новых высокоинформативных технологий нейровизуализации и нейрофизиологического мониторинга, разнообразных нейроассистивных устройств, инновационных технологий малоинвазивной и микронейрохирургии и нейроэндоскопии, эндоваскулярной нейрохирургии, высокоточной радиохирургии и радиотерапии, разработка и первые экспериментальные исследования новых технологий нейропрепарации и нейротрансплантации с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и других методов клеточной биологии.
Успешно реализуется идеология «замещения и поддержки» функций мозга в норме и при патологии, которая базируется на создаваемых интерфейсах «мозг – компьютер», достижениях робототехники, уникальных технологиях виртуальной мультисенсорной среды. Перспективными являются принципиально новые методы оптогенетического лечения нейродегенеративных заболеваний мозга и сетчатки глаза. Вполне реальными в качестве первого шага в этом направлении являются клиническое применение оптогенетического протезирования дегенеративной сетчатки глаза и возвращение слепым людям зрительных функций.
Проводится разработка и апробация новых классов таргетных лекарственных препаратов для лечения нейродегенеративных, демиелинизирующих, сосудистых, опухолевых и других заболеваний нервной системы (моноклональные антитела, нейровакцины, антисмысловые молекулы и др.). Создается технологическая база для резкой интенсификации решений вычислительных и биоинформационных задач (современные компьютерные кластеры, нейрокомпьютеры, цифровые базы данных, технологии анализа больших данных и т. д.).
Низкая эффективность существующей симптоматической терапии НДЗ во многом объясняется тем, что ее начинают только по факту диагностики клинической стадии заболевания, что происходит через много лет (нередко до 30 лет) после реального начала нейродегенеративного процесса на фоне гибели большей части специфических нейронов в соответствующих отделах мозга. Появление симптомов при НДЗ является результатом истощения компенсаторных резервов мозга, которые, благодаря механизмам нейропластичности, в течение длительного времени способны нивелировать развивающуюся утрату нейронов. Исходя из этого, важнейшим приоритетом нейронаук является разработка ранней доклинической диагностики НДЗ мозга и сетчатки с целью осуществления комплексной превентивной нейропротекторной терапии и сохранения физической, сенсорной, в первую очередь зрительной, интеллектуальной и социальной активности больного в течение длительного времени.
Разработка такой диагностики на основе раскрытия тонких молекулярных механизмов НДЗ на разных стадиях онтогенеза, а также комплексной превентивной нейропротекторной фармакотерапии в сочетании с рядом оздоровительных мероприятий (когнитивный тренинг, физические упражнения и др.) приведет к раннему выявлению развития НДЗ, к увеличению периода бессимптомного развития НДЗ, обеспечит сохранение длительного времени, внесет существенный вклад в решение демографической проблемы и облегчит финансовое бремя страны за счет сокращения расходов на лечение и реабилитацию больных.
Инновационные нейротехнологии и нейроморфный искусственный интеллект
Существует еще и третья задача, стоящая перед современной нейронаукой. В XXI в. сферой приложений массовых технологий впервые становится не окружающий человека мир, а процессы в его собственном мозге. Объектом современных нейротехнологий являются как функции биологических нервных сетей головного мозга человека, так и искусственные нейронные сети, построенные по принципу естественных нейронных сетей. Объем мирового рынка массовых нейротехнологий составляет сегодня около $180 млрд.
Наиболее перспективными среди них считаются когнитивные нейротехнологии, адресованные к тому, как человек оперирует знаниями – усваивает их, запоминает, хранит, извлекает, использует, передает другим людям и т.д. Особое место здесь занимают технологии, направленные на расширение человеческого когнитивного потенциала: различные методы когнитивного потенциала, нейрокоммуникация, нейроассистенты, нейрообразование, нейроэкономика, нейроэргономика, нейромаркетинг, нейрофитнес и т.д. Глобальный рынок этих технологий к 2030 г. достигнет $1 трлн. В число таких нейротехнологий будут, в частности, входить интерфейсы «мозг – компьютер», «мозг – мозг» и «мозг – искусственный интеллект».
Технологии искусственного интеллекта определяют значительную составляющую текущего прогресса мировой экономики. Вложения в разработки искусственного интеллекта составляют сегодня основные инвестиции венчурного капитала в США. Аналогичный взрыв разработок и инвестиций происходит в Европе, Японии, Китае. Правительство Китая утвердило в 2017 г. «План развития искусственного интеллекта нового поколения», направленный на максимизацию потенциала искусственного интеллекта за счет исследований мозга. Данный план выдвинут в качестве стратегической задачи для экономического и социального развития Китая.
Ориентация Китая и других стран на нейроморфный искусственный интеллект, основанный на принципах работы человеческого мозга, неслучайна. За этим стоит понимание, что наиболее популярные сегодня технологии искусственного интеллекта – машинное обучение и глубокое – находятся сейчас на пике, но не оправдывают завышенных ожиданий. В ближайшие годы они сменятся формированием более реалистической оценки, учитывающей предел их возможностей. По заключению Международного плана по развитию полупроводниковых технологий (International Technology Roadmap for Semiconductors), наиболее вероятным подходом, который позволит преодолеть фундаментальные ограничения в возможностях текущего поколения компьютерных технологий, являются нейроморфные системы, основанные на когнитивных архитектурах мозга.
С учетом вышесказанного сегодня необходимо развитие направления технологически ориентированных исследований мозга – изучения базисных нейробиологических принципов и алгоритмов естественного интеллекта. Лидером нейроморфного направления пока являются США, на которые в 2018 г. приходилось 75 % инвестиций в данной области. Второе место в настоящее время занимает Евросоюз. Однако Китай объявил в 2017 г., что страна достигнет паритета с США по развитию искусственного интеллекта к 2020 г., совершит прорывы в 2025 г. и займет первенство в этой области в 2030 г. К 2020 г. Китай хотел бы довести стоимость рынка искусственного интеллекта до $22,7 млрд, а стоимость смежных индустрий – до $150 млрд. В 2030 г. соответствующие показатели должны вырасти до $150 млрд и $1,5 трлн.
Объем российского рынка искусственного интеллекта в промышленности к 2021 г. составит $380 млн. При определении четырех основных приоритетов стратегии развития искусственного интеллекта Владимир Путин первым из них обозначил создание принципиально новых фундаментальных заделов, математических методов, принципов работы искусственного интеллекта, в том числе по аналогии с человеческим мозгом. Расшифровка нейробиологических механизмов обучения в клеточных сетях головного мозга, алгоритмов решения нервной системой интеллектуальных задач и разработка основанных на этом новых нейроморфных технологий внесет существенный вклад в опережающее развитие систем искусственного интеллекта и формирование новых секторов инновационной экономики в России.
Состояние исследований человеческого мозга в России
В России исследования мозга и его функций были заложены трудами выдающихся отечественных ученых – физиологов, психологов, физиков и математиков. В частности, в первой половине XX в. в России сложились уникальные исторические и научные условия для синтеза физиологии и психологии в единую науку о физиологии высшей нервной деятельности, возникшую более чем за 60 лет до появления за рубежом аналогичного направления «нейрокогнитивная наука». Эта дисциплина породила целый ряд выдающихся механизмов высшей нервной деятельности и наряду с координировавшейся СССР на протяжении 30 лет международной программой социалистических стран «Интермозг» являлась крупнейшим в истории нейронаучным проектом, охватывающим все стороны исследований функций мозга – от фундаментальной нейробиологии, нейрофизиологии, неврологии и психиатрии до вопросов психологии, лингвистики, социологии, философии и искусства. Международная организация исследований мозга (International Brain Research Organization – IBRO) была заложена в 1958 г. на научной конференции, проходившей в Москве.
Однако эта роль российской науки о мозге в последние десятилетия стремительно уменьшается в связи с переориентацией мировой науки в этом же направлении и огромными инвестициями ведущих стран мира в данные исследования. В результате в 1990–2000 гг. нейронауки претерпели революцию, приведшую к появлению принципиально новых технологий и подходов к изучению головного мозга, возникновению новых крупнейших центров и лабораторий, стремительному росту числа исследователей в этой области. Все эти преобразования происходили в трудный период развития российской науки, что привело к существенному отставанию России в этом мировом движении.
В настоящее время объемы финансирования, число ученых, оснащенность приборной базой нейронаучных исследований в России в десятки раз отстают от таковых в США и во много раз – от стремительно развивающего инвестиции в этом направлении Китая. Специализированной подготовкой специалистов по направлениям «нейробиология» и «высшая нервная деятельность» занимаются кафедры всего нескольких вузов страны, выпуская в совокупности лишь несколько десятков специалистов в год. В настоящее время Россия не имеет ни одного высокопольного магнитно-резонансного томографа в 7 ТЛ для передовых исследований мозга человека по сравнению с 25 такими системами в США и 31 – в Европе.
В России имеется всего один многоканальный магнитоэнцефалограф, по сравнению с 40 такими системами в США и более чем сотней в мире. Аналогичное отставание наблюдается и в оснащенности приборной базы для фундаментальных нейробиологических исследований – так, в России имеется лишь пять мультифотонных установок для in vivo лазерной микроскопии головного мозга, по сравнению более чем с 60 такими системами только в одном Нейронаучном центре Национального института здоровья США. Такое же малое количество установок существует в России для магнитно-резонансной томографии мозга экспериментальных животных, по сравнению с сотнями подобных систем в мире.
Перечисленные обстоятельства обуславливают значительное отставание России от уровня финансирования, кадровой и приборной обеспеченности современных мировых исследований мозга. Недостаточный уровень развития исследований мозга и связанных с ними нейротехнологий в России повышает технологические риски для национальной безопасности, увеличивает отставание от крупнейших экономик мира и не обеспечивает требуемую конкурентоспособность соответствующей российской продукции на мировых рынках, а также сказывается на качестве жизни населения. Все это требует экстренных государственных мер, обусловленных важностью данных исследований для поддержания здоровья нации, умножения человеческого капитала, развития высоких технологий, экономического роста и обеспечения безопасности страны.
Ключевым моментом отставания выступает то, что в России сегодня отсутствуют целевая национальная программа и стратегия исследований мозга, хотя отдельные проекты или даже целые направления этих исследований поддерживаются грантами Минобрнауки, Минздравоохранения, Минпромторгом, Минэкономразвития, Российским научным фондом (РНФ), Российским фондом фундаментальных исследований (РФФИ), программой НИЦ «Курчатовский институт», Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, фондом «Сколково» и др. Российские исследователи имеют хорошие заделы по ряду важных разделов фундаментальных и клинических нейронаук и нейротехнологий. На основе таких проектов сложились первые в России консорциумы, способные решать сложные проблемы современной нейронауки и разрабатывать инновационные нейротехнологии.
Деятельность подобных мультидисциплинарных коллективов сосредоточена на разработке «прорывных» нейротехнологий, направленных на достижение следующих целей: разработка новых информативных моделей заболеваний нервной системы на клеточных культурах и экспериментальных животных; создание технологий ранней диагностики и предотвращения и лечения социально значимых заболеваний мозга; создание перспективных интерфейсов «мозг – компьютер» и «глаз – мозг – компьютер», разнообразных нейроассистивных технологий и устройств; структурное и функциональное картирование мозга человека; математическое моделирование работы мозга и разработка принципов нейроморфного искусственного интеллекта.
Акценты программы исследования мозга
Анализ программ исследований мозга других стран показывает, что они преимущественно сосредоточены либо на разработке новых методов и технологий для исследований мозга (США, Япония, Корея, Израиль), либо на создании информационной инфраструктуры для проведения таких исследований (ЕС, Китай), либо на прикладных исследованиях в области медицинской нейронауки, без выраженного фокуса на определенных классах нервных или психических заболеваний (Япония, Китай, Канада, Австралия), либо на разработке нейроформных компьютерных технологий и систем искусственного интеллекта, также без отчетливого фокуса на каких-то конкретных моделируемых особенностях нервной деятельности (ЕС, Китай, Израиль). Исходя из этого, специфика стратегии российской программы исследований мозга в ее фундаментальной части ориентирована на изучение механизмов, определяющих ключевые функции мозга.
Анализ основных вызовов и тенденций развития современной нейронауки показывает, что ее основные нерешенные проблемы, имеющие перспективы для максимального спектра областей человеческого здоровья, качества жизни и развития инновационной экономики, сосредоточены в области фундаментальных молекулярно-клеточных механизмов нервной деятельности, в частности механизмов пластичности мозга, составляющих главную специфику нервной системы, определяющих ее способность к обучению, адаптации, компенсации и реабилитации при различных заболеваниях нервной деятельности; сфере высших когнитивных функций мозга, в частности механизмов памяти и сознания человека – крупнейших нерешенных проблем современной науки в целом.
Анализ наиболее сильных сторон российской науки о мозге показывает, что ее основные заделы, сохраняющие оригинальность и приоритетность по настоящее время, лежат в области физиологии высшей нервной деятельности, а также в области механизмов межклеточной сигнализации и пластичности нервной системы. В связи с этим в качестве стратегических ориентиров фундаментального направления программы выделены три ключевые проблемы: нейропластичность, обучение и память, сознание и личность. Эти три направления являются оригинальными для российской программы. Несмотря на свою первоочередную значимость, до настоящего времени они не были вынесены в ключевые цели и задачи ни одной из программ изучения мозга в других странах.
Другой сильной стороной российской нейронауки являются передовые клинические и биомедицинские нейронаучные исследования, проводимые в крупных медицинских центрах страны. Учитывая это, а также высокую актуальность задач здоровьесбережения в социальной политике России, в программе выделено биомедицинское направление, сосредоточенное на клинических и трансляционных исследованиях мозга с целью диагностики, лечения, реабилитации и профилактики социально значимых заболеваний нервной системы.
Особое внимание при этом в программе уделено нейродегенеративным заболеваниям, что связано, с одной стороны, с вызовом демографического перехода, стоящим перед Россией, а с другой – с возможностью привлечения к решению этой проблемы тесно связанных с ней исследований межклеточных взаимодействий в нервной системе, механизмов нейропластичности и памяти, выделенных в качестве приоритетов в фундаментальном направлении программы. Необходимо отметить, что, несмотря на огромную актуальность нейродегенеративных заболеваний мозга и сетчатки глаза для большинства развитых стран мира, данная проблема не была поставлена до сих пор ни в одной из национальных программ изучения мозга и является оригинальной для российской программы.
Наконец, третьим важным фактором в определении ключевых направлений программы являются уникальные российские физико-математические традиции, выдающиеся российские математические школы, сильная система подготовки научных кадров в этих дисциплинах. В сочетании с наметившейся в последние годы тенденцией развития науки о мозге в сторону теории сложных нейронных сетей, вычислительной и математической нейронауки и востребованностью этих исследований со стороны разработки искусственного интеллекта данное обстоятельство может также обеспечить важные преимущества и уникальность российской программы исследований мозга.
В связи с этим в программе выделено нейротехнологическое направление, существенно ориентированное на разработку научной платформы искусственного интеллекта следующего поколения – нейроморфного искусственного интеллекта. Таким образом, осуществление программы представляет собой развитие на качественно более высоком уровне мировых тенденций в современной нейронауке, включая объединение фундаментальных и прикладных исследований для эффективной трансляции результатов научного поиска в клинику и инновационные технологии, и решение крупных социально значимых задач.
Результаты реализации программы исследования человеческого мозга
В результате реализации программы в России будут созданы новые методы и инструменты для регистрации, анализа и направленной модуляции активности мозга, разработаны и апробированы новые нейрофотонные, опто-, термо-, хемогенетические и другие технологии для мониторинга и селективного управления функциями головного мозга. При этом будет развита система центров содержания трансгенных линий животных, коллекций и служб по производству вирусных векторов для фундаментальных исследований и перспективной генной терапии мозга.
Также будут изучены фундаментальные механизмы развития и функционирования мозга, роль в них процессов эпигенетической регуляции, межклеточной сигнализации, пластичности нейронов и глии, нейрогенеза и нейродегенерации. Будут получены новые знания о механизмах нейродегенерации и пластичности нейронов и глии при социально значимых заболеваниях, включая нейродегенеративные заболевания (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и др.), а также в ходе непатологического старения организма будут установлены нейропсихологические, клеточные и молекулярно-генетические основы активного творческого долголетия.
Будут изучены нейрофизиологические основы когнитивной деятельности мозга, функций интеллекта, обучения и памяти, в том числе с целью опережающей разработки систем нейроморфного искусственного интеллекта. Будут получены новые знания о феномене сознания в условиях нормального функционирования мозга и его патологий, в том числе для его восстановления при лечебных и реабилитационных воздействиях. Будут построены эмпирически и физико-математически обоснованные модели сознания, интеллекта, решения творческих задач и других ключевых когнитивных функций и системных архитектур мозга.
Будут усовершенствованы существующие и созданы новые фармакологические, генетические и другие in vitro и in vivo модели социально значимых нейродегенеративных заболеваний. Будут созданы технологии ранней (в том числе доклинической) диагностики наиболее распространенных нейродегенеративных заболеваний как основа для реализации стратегии превентивной нейропротекции. На экспериментальных моделях будет разработана превентивная комплексная нейропротекторная терапия нейродегенеративных заболеваний, направленная на замедление гибели специфических нейронов (нейродегенерации) и повышение эффективности компенсаторных процессов (нейропластичности).
Будут созданы новые действующие на нервную систему лекарственные соединения, в том числе препараты нейрометаболической направленности, антисмысловые олигонуклеотиды, малые регуляторные молекулы, клеточные вакцины, что позволит повысить эффективность лечения ряда социально значимых заболеваний нервной системы.
Также будут созданы новые технологии нейроинтерфейсов медицинского назначения, оптогенетические технологии протезирования «слепой» сетчатки для возвращения незрячим людям зрительных функций, выработаны принципы персонификации восстановительных программ и прогнозирования их исходов на основе прижизненного анализа особенностей ремоделирования коры головного мозга, созданы центры сохранения профессионального здоровья и профессионального долголетия.
Будут исследованы нейрофизиологические и психофизиологические механизмы развития мозга в онтогенезе, в том числе связанные с детскими болезнями, вопросами детского обучения и образования; будут созданы модели развития когнитивно-мотивационных функций детей и подростков, на основе которых разработаны алгоритмы мониторинга и управления процессом обучения, программы индивидуальной когнитивной тренировки онлайн и адаптивные стратегии образования и формирования личности.
По результатам реализации программы будет разработана универсальная платформа мониторинга здоровья населения на основе нейроморфных искусственных когнитивных систем, которая позволит хранить и обрабатывать объективные данные измерений и субъективные мнения специалистов, представлять их в различных разрезах по географии, социальному составу населения и по времени, прогнозировать влияние на здоровье населения различных факторов, развития эпидемий и т.п. На базе платформы будет реализована система эффективного сопровождения психосоматических заболеваний, построенная на основе новых знаний о механизмах нейровисцеральной организации поведения и математических моделях энергетического обмена организма и среды, использующая закономерности деятельности как отдельных нейронов, так и целого организма.
Будут созданы новые, в том числе автоматизированные технологии разработки интерфейсов «человек – техника» для управления сложными системами (самолеты, автомобили, АЭС и др.) как непосредственно, так и удаленно – по принципу дистанционного присутствия, аватара – что позволит работать в недоступных человеку местах с высокой радиацией, внутри горящих зданий, в космосе и т.п.
Будут реализованы модели автоматической идентификации состояний и свойств людей (в том числе на основе распознавания выражений лиц, движений, интонаций, «цифровых следов» и иной персонифицированной информации) для оптимизации условий труда, учебы, профотбора и др. Будут разработаны модели межличностного и группового влияния в современных информационных сетях.
Наконец, по результатам реализации программы будут разработаны модели и архитектуры когнитивных вычислительных систем, способных к самоорганизованному обучению и адаптивному изменению собственной архитектуры на основе поставленной цели, элементов искусственного воображения и сенсорного взаимодействия с окружающей виртуальной или физической средой. Будут разработаны принципы автономных обучаемых нейроморфных систем, обеспечивающих распознавание комплексных образов, самостоятельное формирование целей, оценку ситуаций, прогнозирование их развития и принятие решений. Будет разработана специализированная электронная компонентная база для реализации разных типов нейроморфных элементов (искусственные нейроны, массивы синаптических контактов) и на ее основе высокопроизводительные нейроморфные вычислительные комплексы и их программное обеспечение.
Кто в России занимается исследованиями мозга: Москва
В России, и в первую очередь в Москве, существует большое количество научных организаций, занимающихся исследованиями мозга. В частности, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» обладает наиболее развитой в стране сетью лабораторий биологического, физико-химического, информационного, нанотехнологического, нейрокогнитивного и лингвистического профиля. В рамках одного только Курчатовского комплекса НБИКС-технологий созданы и успешно работают такие научные подразделения, как отделение нейрокогнитивных и социогуманитарных наук, отделение молекулярной биологии, отделение математического моделирования и информационных технологий, ЦКП синхронного изучения и нанотехнологий, белковая фабрика и ряд ресурсных центров, включающих виварий и комплекс ядерно-физических методов диагностики и исследования когнитивных процессов. На базе центра совместно с МФТИ проводятся исследования нейрогенеза в гиппокампе и других структурах мозга под влиянием различных факторов, включающих фармакологические воздействия и ионизирующую радиацию.
В Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова проводятся исследования молекулярных механизмов сенсорных процессов на физическом, биологическом, психологическом, химическом факультетах и факультете биоинженерии и биоинформатики, а также осуществляется моделирование функций и механизмов когнитивной деятельности с целью разработки новых нейротехологий и создания «мозго-машинных систем». В частности, на биологическом факультете моделируются коммуникативные нейроэлектронные контуры управления на основе регистрации и расшифровки биометрических показателей (ЭЭГ, ЭМГ, движений глаз и др.) и разрабатываются образцы нейрокоммуникаторов и нейротренажеров для пациентов после инсульта и черепно-мозговых травм.
На факультете психологии осуществляется моделирование глазодвигательной активности в контурах нейроинтерфейсов, а также создаются передовые тесты для оценки когнитивных функций, функционального состояния и стресс-резистентности человека. Моделированием функций мозга занимаются и в лаборатории математических моделей зрения и распознавания образов факультета вычислительной техники и кибернетики МГУ им. М. В. Ломоносова. На механико-математическом факультете успешно работает кафедра математической теории интеллектуальных систем.
На биофаке изучаются молекулярные механизмы нейродегенеративных заболеваний митохондриального происхождения, разрабатываются генно-терапевтические подходы к их лечению, разработаны и применяются передовые методы обработки данных кальциевого имиджинга и других биологических изображений. Разработаны модели астроцитарной кальциевой активности на уровнях от отдельных клеток до клеточных ансамблей. Имеется значительный задел в области спектроскопии комбинационного рассеяния интактных биологических тканей, в том числе в режиме усиления сигнала на наноструктурированных поверхностях (SERS).
В 2019 г. в МГУ им. М. В. Ломоносова создан Институт перспективных исследований мозга. Его задачей являются перспективные экспериментальные и теоретические исследования высших функций мозга – интеллекта, памяти и сознания. В институте осуществляется разработка новых методов и технологий для исследований и направленной регуляции активности бодрствующего мозга во время когнитивной деятельности, проводятся исследования молекулярных, клеточных и системных обучения и памяти, интеллекта и сознания, изучаются механизмы нарушений этих функций и ведется поиск путей их предотвращения, осуществляется разработка новых математических подходов к анализу когнитивных архитектур и функционирования нейронных сетей мозга человека и животных в покое и при функциональных нагрузках.
На кафедре биофизики биологического факультета разработаны и применяются передовые методы обработки данных кальциевого имиджинга и других биологических изображений. Разработаны модели астроцитарной кальциевой активности на уровнях от отдельных клеток до клеточных ансамблей. Имеется значительный задел в области спектроскопии комбинационного рассеяния интактных биологических тканей, в том числе в режиме усиления сигнала на наноструктурированных поверхностях. Развиваются технологии молекулярной биофотоники.
В Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН проводятся исследования молекулярных механизмов нейротрансмиссии, нейродегенерации и нейропластичности на грызунах и беспозвоночных, начаты работы по созданию генно-инженерных клеток нервной ткани с заданными свойствами. Также в институте проводятся нейрофизиологические исследования когнитивных процессов.
Национальный медицинский исследовательский центр нейрохирургии им. Н. Н. Бурденко Минздрава занимается следующими вопросами: комплексными исследованиями нервной системы с помощью современных технологий нейровизуализации с возможностью прижизненного изучения анатомии мозга, структуры проводящих путей, взаимосвязи кровообращения, метаболизма и функций мозга в норме и при патологии; получением новых данных о функциональной анатомии мозга, индивидуальных особенностях корковых и подкорковых взаимосвязей при проведении операций с пробуждением и использованием методов нейрофизиологического картирования корковых структур и проводящих путей, метаболической навигации, биоспектрологии; изучением нейровизуальных, нейромедиаторных, нейрофизиологических биомаркеров качественных и количественных расстройств сознания при очаговых и диффузных поражениях мозга; изучением роли проекционных, комиссуральных и ассоциативных элементов коннектома мозга человека в поддержании сознания, высших психических функций, многовариантности представительства речевых функций, памяти, сенсомоторных актов; изучением структурных, метаболических, нейромедиаторных и нейрофизиологических механизмов пластичности мозга после хирургических, радиационных и химиотерапевтических воздействий; исследованиями генетических основ сосудистой патологии нервной системы.
Также центр занимается: развитием современных молекулярно-генетических исследований в области нейроонкологии; проведением исследований в области нейроонкологии; проведением исследований с использованием роботизированных устройств для высокоточной дистанционной радиохирургии и радиотерапии; изучением нейроэндокринных, нейромедиаторных, нейрофизиологических расстройств у взрослых и детей при опухолевых и сосудистых заболеваниях мозга, а также механизмов пластичности мозга после хирургических, радиохирургических и радиотерапевтических вмешательств; разработкой современных технологий нейропротекции в нейрореанимации и интенсивной терапии; формированием цифрового архива интегрированных клинических, нейровизуализационных, гистологических и молекулярно-генетических данных в процессе биобанкирования клеточных культур опухолей мозга человека; разработкой методов анализа больших массивов клинических, нейровизуализационных, гистологических, молекулярно-генетических и других данных на основе методов искусственного интеллекта; развитием технологий «интерфейс – мозг – компьютер» и других нейрокогнитивных технологий.
Научный центр неврологии, будучи головным учреждением страны в области неврологии, после присоединения к нему в 2006 г. Института мозга получил возможность интенсивного развития трансляционной неврологии и быстрого внедрения результатов фундаментальных исследований в клиническую практику. Обладая хорошо оснащенной исследовательской и клинической базой, Центр проводит широкий круг нейрофизиологических, нейровизуализационных, молекулярно-генетических, нейрохимических, нейроцитологических и клинических исследований при социально значимых заболеваниях нервной системы, включая нейродегенеративные заболевания (болезни Паркинсона, Альцгеймера, Гентингтона, лобно-височная деменция, боковой амиотрофический склероз и др.), демиелинизирующие заболевания (рассеянный склероз, оптикомиелит и др.), цереброваскулярные заболевания (инсульт, сосудистая деменция), эпилепсию, критические состояния в неврологии.
Особый интерес представляет разработка инновационных технологий нейрореабилитации, нейрохирургии и нейрореаниматологии, в том числе нейроассистивных технологий и методов нейромодуляции, исследований по проблемам восстановления сознания, работ по развитию памяти человека, мутационный скрининг генов неврологической патологии, анализ транскрипционных, генетических и эпигенетических биомаркеров, молекулярных и клеточных механизмов развития заболеваний мозга, экспериментальные исследования синаптических основ нейропластичности и нейротрансмиссии, создание новых клеточных и экспериментальных моделей физиологии мозга, разработка проблем гендерной нейроморфологии и фундаментальных основ творческой одаренности. В центре также идут исследования по созданию и внедрению в практику отечественных интерфейсов «мозг – компьютер».
Научный центр психического здоровья, будучи головной организацией по психиатрии, решает широкий круг задач от формулирования критериев психического здоровья до разработки профилактики, диагностики, лечения и реабилитации широкого круга психических заболеваний. Наибольший интерес представляют исследования патогенеза болезни Альцгеймера и шизофрении, а также разработка доклинической диагностики и превентивного лечения болезни Альцгеймера.
Государственный научный центр социальной и судебной психиатрии им. В. П. Сербского Минздрава является одним из ведущих в стране в области психиатрии. Наряду с клиническими исследованиями широко проводятся биохимические исследования роли нарушения метаболизма ключевых нейротрансмиттеров, физические и биофизические исследования белков крови (альбумин) с использованием нанотехнологических подходов, лазерной спектрологии и ядерной магниторезонансной спектроскопии в патогенезе наиболее распространенных и тяжелых психических заболеваний, таких как шизофрения, депрессии и др. В центре активно ведутся научные исследования в области наркологии, проводятся иммунологические исследования основных психических заболеваний, а также разрабатываются передовые методы адресной доставки психотропных препаратов в головной мозг. Центром также курируется работа Национального института приматологии.
Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П. К. Анохина Российской академии медицинских наук (РАМН) в течение многих лет ведет исследования системных механизмов интегративной деятельности головного мозга в норме и при патологии, развивая теорию функциональных систем П. К. Анохина. Основными направлениями являются изучение нейробиологических механизмов подкрепления психоэмоционального стресса, памяти и обучения, нейропластичности в норме и при патологии.
Институт психологии РАН в области исследований мозга является ведущим учреждением по психофизиологии обучения у человека и животных, а также общей и дифференциальной психофизиологии способностей. Традиционно сильными направлениями института являются психология труда и эргономика. В Научно-исследовательском институте общей патологии и патофизиологии традиционно большое внимание уделяется созданию экспериментальных моделей неврологических психических заболеваний и их тестированию.
В Научно-исследовательском институте фармакологии им. В. В. Закусова одними из основных направлений работы являются психофармакология и создание фармакологических моделей неврологических и психических заболеваний — в частности, болезни Паркинсона. В институте уже созданы оригинальные лекарственные вещества-ноотропы и ведется широкий поиск новых лекарственных веществ с нейропротекторными свойствами. Деятельность Московского Центра патологии речи и нейрореабилитации направлена на изучение и восстановление когнитивных функций, прежде всего речи, после очаговых поражений головного мозга.
В Институте биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН проводятся следующие мероприятия: исследования роли нейрон-глиальных взаимодействий в функционировании головного мозга в норме и при патологии; молекулярно-биологические исследования механизмов нейротрансмиссии с помощью радиоактивно меченных лигандов нейротрансмиттеров и токсинов; исследования патогенеза рассеянного склероза как аутоиммунного заболевания и разработка терапии; исследования регуляции развития мозга и роли в этом процессе транскрипционных факторов, а также осуществляется поиск физиологически активных веществ – потенциальных кандидатов в лекарства.
Институт имеет значительный опыт в области молекулярной биологии и разработке препаратов по борьбе с нейродегенеративными заболеваниями. На базе института функционирует SPF-виварий, в котором могут содержаться модельные животные и проводиться поведенческие тесты. Также в институте был разработан широкий спектр флуоресцентных сенсоров и развиваются технологии оптического имиджинга (флуоресцентного, микроскопии комбинационного рассеяния).
В Институте молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН проводятся исследования олигомеризации бета-амилоида, который рассматривается как биомаркер и мишень для диагностики и терапии болезни Альцгеймера. В Институте молекулярной генетики РАН проводятся исследования мутаций генов у пациентов при болезни Паркинсона и нарушения экспрессии генов нейронов нигростриарной системы мозга на нейротоксических моделях паркинсонизма. Кроме того, в институте осуществляется поиск лекарственных веществ с нейропротекторными свойствами.
В Институте биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН проводятся исследования механизмов развития мозга и роли развивающегося мозга и синтезирующихся в нем физиологически активных веществ в прямой эндокринной регуляции развития целостного организма в норме и при врожденных заболеваниях. В институте разрабатываются нейротоксические модели in vitro и in vivo постадийного развития болезни Паркинсона с целью изучения механизмов нейродегенерации и нейропластичности, поиска периферических маркеров паркинсонизма и поиска лекарственных веществ с нейропротекторными свойствами.
В институте впервые в неврологии и психиатрии предложена и прошла доклинические испытания ранняя диагностика нейродегенеративных заболеваний на основе провокационного теста. Доклинические исследования сочетаются с клиническими исследованиями, проводимыми совместно с неврологическими клиниками Первого и Второго Московских медицинских университетов. Также в институте изучаются молекулярные механизмы нейротрансмиссии моноаминов на моделях беспозвоночных животных.
В Институте биофизики клетки РАН (город Пущино) успешно разрабатываются модели болезни Альцгеймера, которые используют для поиска новых молекулярных мишеней для фармакотерапии, а также для скрининга физиологически активных веществ с нейропротекторными свойствами. В институте используются методы приготовления серийных врезов для электронной микроскопии, трехмерные реконструкции изображений, анализ ультраструктуры нейрональных и глиальных компартментов.
Институт физиологически активных соединений РАН (город Черноголовка) занимает лидирующие позиции в области поиска, химического синтеза, изучения строения и связи между химической структурой и физиологической активностью синтетических и природных физиологически активных веществ, а также в исследованиях физиологической активности полученных веществ на биологических моделях и животных. Институт располагает экспериментальной базой, обеспечивающей проведение всего цикла прижизненных исследований на животных SPF-статуса.
В институте создана коллекция генетических мышиных моделей ряда заболеваний человека, которая адаптирована для отбора новых лекарственных препаратов, обладающих нейропротективными свойствами. В институте проводятся поиск и направленный синтез препаратов для лечения заболеваний нервной системы, разработан ряд оригинальных препаратов, которые проходят доклинические испытания и передаются на клинические испытания.
В НИУ «Высшая школа экономики» на факультетах психологии и лингвистики развивают исследование высших психических функций и речи. В 2018 г. в данной организации был создан Институт когнитивных наук и разработана первая в стране магистерская программа подготовки по когнитивной науке. В исследованиях особое внимание уделяется нейроэкономике, разработке биоэлектрических интерфейсов, исследованиям нервных механизмов речи и языка.
Первый Московский государственный медицинский университет им. И. М. Сеченова Минздрава включает в себя ведущие неврологические клиники, внесшие существенный вклад в разработку диагностики, лечения и реабилитации нейродегенеративных заболеваний – болезни Паркинсона и болезни Альцгеймера. В Российском национальном исследовательском медицинском университете им. Н. И. Пирогова большое внимание уделяется изучению патогенеза и разработке новых методов диагностики и лечения широкого круга неврологических заболеваний, в первую очередь болезни Паркинсона и рассеянного склероза.
В фокусе научной работы Московского городского психолого-педагогического университета (МГППУ) находятся вопросы психологии образования и педагогики, включая создание образовательных программ для детей с различными формами инвалидности. Центр экспериментальной психологии проводит исследования восприятия с анализом глазодвигательной активности. Обладая единственной в России установкой для регистрации МЭГ, университет развивается как площадка для кооперации коллективов, изучающих мозговые основы когнитивных функций и их нарушений. МЭГ-центр включен в реестр уникальных стендов и установок России.
Кто в России занимается исследованиями мозга: Санкт-Петербург
Целый ряд научных организаций занимается вопросами изучения мозга в Санкт-Петербурге. Так, в Санкт-Петербургском государственном университете проводятся исследования высших психических функций и нейролингвистики, когнитивных функций асимметричного мозга и их роли в социальном поведении, пренатального развития коры полушарий мозга человека. Кроме того, изучаются когнитивные и психологические аспекты терапии социально значимых и опасных заболеваний. Проводится оценка нейрокогнитивных и нейроэндокринно-иммунных механизмов продуктивной деятельности человека и ее поддержка с помощью нейротехнологий, в частности вовлекающих разработку новых видов человеко-машинных интерфейсов. Создается центр трансгенных моделей на мышах и крысах заболеваний мозга, шизофрении, биополярных расстройств, синдрома дефицита внимания и гиперактивности, депрессии, болезней Паркинсона и Альцгеймера.
В Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН развиваются такие важнейшие направления нейронаук, как молекулярные механизмы синаптической сигнализации, механизмы развития мозга и роль пренатальной гипоксии в появлении врожденных заболеваний, создание фармакологических моделей болезни Паркинсона и их использование для поиска лекарственных веществ с нейропротекторными свойствами. Институт имеет обширный опыт в электрофизиологических исследованиях на срезах мозга с записью как популяционной активности, так и с отдельных нейронов и астроцитов.
В Институте физиологии им. И. П. Павлова РАН к направлениям исследований в области нейронаук относятся разработка неинвазивных методов модуляции деятельности мозга, изучение механизмов развития мозга, когнитивные функции, механизмы нейроэндокринно-иммунной регуляции и др. Это единственный в настоящее время институт страны, где проводятся когнитивные исследования мозга на обезьянах.
Национальный медицинский исследовательский институт (НМИЦ) психиатрии и неврологии им. В. М. Бехтерева является одним из ведущих учреждений страны в области психиатрии, наркологии и неврологии. С 1993 г. является центром Всемирной организации здравоохранения по научным исследованиям и подготовке кадров в области психического здоровья. Институтом ведутся работы в области изучения нейродегенеративных заболеваний, эпилепсии, психосоматических расстройств, депрессии, проблем клинической психологии и психотерапии.
В Институте цитологии РАН развивается оригинальная гипотеза, согласно которой в основе патогенеза нейродегенеративных заболеваний лежит нарушение кальциевой сигнализации. Институт мозга человека им. Н. П. Бехтеревой РАН обладает возможностями использовать позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ) для дифференциальной диагностики ряда заболеваний мозга и изучения их проявлений на уровне изменения метаболизма нервной ткани. Институт старается решить задачу внедрения в исследовательскую деятельность лигандов ключевых молекул функционирования нейронов.
В Научно-исследовательском институте экспериментальной медицины исследуются нейробиологические основы формирования дисфункций мозга и пути их коррекции, нейробиологические основы формирования и компенсации последствий психогенной травмы мозга, компенсация дисфункций мозга методами адаптивной саморегуляции, а также изучаются механизмы действия нейротропных средств, разрабатываются системы их направленной доставки и осуществляется поиск новых мишеней к нейропротекторам. В институте разработаны методы иммуноцитохимического окрашивания глиальных клеток различных организмов (грызунов, человека), методы флуоресцентного имиджинга и трехмерного анализа изображений.
Первый Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. И. П. Павлова является одной из ведущих организаций страны в области исследования патогенеза и методов борьбы с алкогольной и наркотической зависимостями, а также диагностики и лечения болезни Паркинсона.
Кто в России занимается исследованиями мозга: другие города
Научные организации по изучению работы мозга есть и в других городах страны. В Новосибирске в Институте цитологии и генетики Сибирского отделения РАН проводятся исследования моноаминергических систем мозга и их роли в регуляции широкого круга функций, в первую очередь нейроэндокринной регуляции. В институте имеется большой опыт исследований в области моделирования и изучения молекулярного патогенеза нейродегенеративных заболеваний in vitro с использованием индуцированных плюрипотентных стволовых клеток и геномного редактирования. Также в институте достигнуты крупные результаты в изучении эпигенеза.
В Научно-исследовательском институте физиологии и фундаментальной медицины (НИИФФМ) проводятся исследования структурно-функциональных архитектур головного мозга для медико-биологических технологий. НИИФФМ является одним из лидеров в области экспериментальной, трансляционной и клинической нейронауки в стране и партнером в международных кооперативных проектах, а также в совместных работах с ведущими исследовательскими и образовательными организациями мира. С НИИФФМ по направлению «нейрокогнитивные технологии» сотрудничают Новосибирский государственный университет, а также НИИ молекулярной биологии и биофизики (НИИМББ).
В Томском государственном университете проводятся исследования по психогенетике способностей, особенно математических. В лаборатории когнитивных исследований и психогенетики изучаются природа и механизмы формирования индивидуальных различий, когнитивных процессов и мотивации. Лаборатория психофизиологии занимается исследованиями проблем физиологических основ психической деятельности и поведения человека, одновременно являясь основой работ в области организационной психологии.
В Томском институте психического здоровья проводятся биохимические (ферменты метаболических путей нейромедиаторного обмена) и генетические (экспрессия генов ключевых функциональных модулей в нейронах) исследования патогенеза основных психических заболеваний.
Казанский федеральный университет является тем местом, где в XIX в. возникли первые российские школы психологии (В. Бехтерев) и лингвистики (И. Бодуэн де Куртенэ), а позднее были сделаны выдающиеся физические открытия, заложившие основу современным методам неинвазивной нейровизуализации активности мозга человека (Е. Завойский). В настоящее время проводятся передовые исследования по компьютерной лингвистике и социальному влиянию с использованием подхода больших данных.
В Казанском государственном медицинском университете проводятся исследования молекулярных механизмов синаптической нейротрансмиссии на модели холинергической передачи нервно-мышечного контакта. Изучаются периферические проявления нейродегенерации при нейродегенеративных заболеваниях и разрабатываются генно-клеточные подходы к терапии травмы спинного мозга и болезни двигательного нейрона на экспериментальных моделях. В Центре ранней диагностики нейродегенеративных заболеваний проводятся клинические исследования по поиску периферических биомаркеров нейродегенеративных заболеваний.
В Нижнем Новгороде научные исследования в области нейронаук сосредоточены в трех учреждениях: Приволжский исследовательский медицинский университет (ПИМУ), Нижегородский национальный исследовательский университет им. Н. И. Лобачевского (ННГУ им. Н. И. Лобачевского), Институт прикладной физики РАН. Научные центры и клинические базы оснащены современным оборудованием, позволяющим изучать мозг на различных уровнях организации (от молекулы до поведения и когнитивных процессов). Основные достижения связаны с изучением патофизиологических механизмов, коррекции и профилактики цереброваскулярных заболеваний, разработки теории функциональных систем на молекулярно-клеточном и организменном уровнях, разработкой нейроаниматных технологий изучения функций нейронных сетей мозга, исследованием внесинаптической пластичности и роли глии в информационных процессах в мозге.
В городе Переславль-Залесский Институт программных систем им. А. К. Айламазяна РАН является одним из ведущих центров по направлению «Высокопроизводительные вычисления», он участвовал во многих суперкомпьютерных проектах часто в роли головного исполнителя. Институт имеет успешный опыт работы в широкой (десятки организаций) международной кооперации. В институте активно ведутся работы по созданию и использованию нетрадиционных вычислительных систем и фундаментальные исследования вычислительных свойств материи в целом. Также институт имеет богатый опыт создания рекордных по энергоэффективности вычислительных установок. В направлениях НИОКР института представлены тематика искусственного интеллекта, машинного зрения, систем сбора и обработки сенсорных данных и автономной роботехники.
В Красноярском государственном медицинском университете им. проф. В. Ф. Войно-Ясенецкого Минздрава проводятся экспериментальные исследования клеточно-молекулярных механизмов нейродегенеративных заболеваний (болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона), депрессии, аутизма, нарушений проницаемости гематоэнцефалического барьера при патологии на оригинальных моделях in vitro, а также развития мозга при перинатальном повреждении. Разрабатываются новые технологии реабилитации когнитивной и моторной функций, коррекции нарушений равновесия при хронической цереброваскулярной патологии, развиваются исследования в области клинической психологии, нейрогенетики и нейрофизиологии, разрабатываются приборы и методы оптической биопсии для оценки метаболизма мозга.
Используются методы клеточной нейробиологии и молекулярной генетики, моделирования мультиклеточных ансамблей in vitro, оценки проницаемости ГЭБ, микрофлюидики, оптогенетики, электрофизиологии, микродиализа головного мозга, масс-спектрометрии, молекулярного профилирования, оптические методы исследования, нейроповеденческое тестирование животных. Изучены новые молекулярные механизмы нейровоспаления и аберрантного нейрогенеза при хронической нейродегенерации, нарушений нейрон-глиальных и астроцит-эндотелиальных взаимодействий в нейроваскулярной единице головного мозга, механизмы регуляции секреции окситоцина и социального поведения, барьерогенеза и поддержания целостности ГЭБ, разработаны оригинальные статические и динамические модели ГЭБ и нейронных ниш in vitro.
В Калининграде в Балтийском федеральном университете им. Иммануила Канта поставлены методики электрофизиологической и оптической регистрации активности нейронов и глии в острых и культивируемых срезах мозга, вирусной трансдукции in vitro и in vitro, продукции ленти- и аденовирусных векторов, оптической визуализации вторичных посредников с помощью генетически кодируемых индикаторов, оптогенетики, ряда поведенческих методик для регистрации памяти и эмоционального статуса с видеорегистрацией и компьютерной обработкой. Налажено тесное взаимодействие с рядом лидирующих международных центров в области глиальной биологии. Создаются новые молекулярные инструменты для манипуляции экспрессии и редактирования генома in situ.
В Ростове-на-Дону в Южном федеральном университете (ЮФУ) на базе НИИ нейрокибернетики им. А. Б. Когана и Научно-исследовательского технологического Центра нейротехнологий проводятся исследования физиологии человека и нейромоделирование отдельных когнитивных функций. В 2015 г. ЮФУ был заключен договор с Фондом перспективных исследований на реализацию проекта, ориентированного на разработку нейротехнологии создания биогибридных систем распознавания запахов, который был сдан в 2016 г. Для реализации проекта Фондом перспективных исследований на базе ЮФУ была создана лаборатория «Нейротехнологии восприятия и распознавания». Основным направлением является проект «Исследование механизмов формирования мультистабильных состояний активности мозга, сенсорного восприятия и когнитивных процессов с целью разработки эффективных нейротехнологий контроля, коммуникации и управления».
Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского является одним из ведущих центров развития математического моделирования и теории нелинейных систем. В университете разработан оригинальный подход функциональных моделей как элементарных блоков при моделировании сложных систем. Также в университете есть задел в моделировании путей регуляции в нейро-глио-васкулярных связях и имеется широкий опыт оптических методов измерения физиологических параметров (кровотока, характеристик регуляции давления и сердечного ритма).
