0 Национальный исследовательский проект Co. Brain Проект по расширению ресурсов мозга человека 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx Версия 6. 4. 1 (24/11/2015) 0
1 Проект Co. Brain в рамках Нейронет НТИ 1. Вызов – мировые проекты исследования мозга 2. Наш ассиметричный ответ – национальный научно-внедренческий проект Co. Brain, его цель и задачи, примеры решений 3. Место Co. Brain в рамках Нейронет НТИ, запросы от рыночных групп для лабораторий (кратко от 6 -и групп) 4. Организационная структура Co. Brain – сеть кластеров лабораторий, объединенных информационно-аналитической платформой 5. Имеющийся научный задел - примеры и география лабораторий 6. Научно-технический совет Co. Brain 7. Ключевые показатели Co. Brain на 2016 -2018 годы 8. Критерии к лабораториям Co. Brain и их проектам 9. Критерии к кластерам Co. Brain 10. Приложение 1. Запросы к лабораториям Co. Brain от рыночных групп Нейронет (подробно от 3 -х групп) 11. Приложение 2. Пример системы для мульти-модальной регистрации в стационарных условиях и у мобильного испытуемого 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 1
2 Современные зарубежные национальные и транснациональные проекты по изучению мозга 1. Молекулы 2. Клетки 3. Цитоархитектоника 4. Зоны мозга 5. Целостный мозг Уровни исследования мозга 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx Европейский Human Brain Project (HBP) (2012) направлен на реконструкцию мозга путем моделирования 89 млрд нейронов и их 100 триллионов связей с использованием компьютеров, начиная с 1 го нижнего уровня передачи химических и электрических сигналов до 5 -го верхнего уровня особенностей поведения и восприятия человека. Подход к исследованиям – снизу-вверх. Американский проект BRAIN (2013) направлен на разработку технологий для получения новой информации о функциональной структуре мозга, начиная с верхнего уровня до нижнего уровня. Генерирует Big. Data для HBP. Подход к исследованиям – сверху-вниз. Японский Brain/MINDS (2014) направлен на исследование связи генома с поведением, психическими и нейродегенеративными заболеваниями человека (болезни Альцгеймера, шизофрения, аутизм). Используются методы генной инженерии (разрушения и вставки генов) на человекообразных обезьянах (мартышках). Исследования проводятся на молекулярном (1) и поведенческом (5) уровнях. Китайский China Brain (2015) направлен на создание нейроморфных систем, учитывающих строение мозга человека (уровень 2 и 3 - клеток и цитоархитектоники). Разработка AI для гражданского и военного применения, под управление частной компании (Baidu). Другие проекты: ENIGMA, Blue Brain Project, Allen Brain Atlas, Human Connectome Project 2
3 Резюме зарубежных проектов Цель проектов: • Понимание анатомической структуры мозга с построением компьютерных моделей отношений его отдельных модулей и систем • Уточнение функциональной структуры мозга с выяснением корреляций между активностью отдельных его элементов, нервных клеток и их сетевых агрегаций, и основными психическими процессами: восприятием, памятью, мышлением, познанием и сознанием Применение (рынки): • В ближайшей перспективе - новые методы ранней диагностики и лечения заболеваний центральной и периферической нервной системы (медицина) • В среднесрочной перспективе - создание роботов, способных копировать человеческое восприятие и мышление (робототехника на нейроморфной основе) • В дальней перспективе – понимание работы мозга и нейротехнологическая революция Срок выполнения: 10 лет (до 2025 года) Объем финансирования проектов: 25 -35 млрд $, одновременно текущее финансирование нейронаук продолжается (например, в США выделяется 7 млрд $ в год). 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 3
4 Основная научная-прикладная проблема, решаемая в рамках проекта Co. Brain Во всех зарубежных проектах отсутствует задача по исследованию ресурсов мозга, выявления и устранения их дефицитов, оптимизация их использования, и их увеличению за счет применения новейших (нейро-, фарма-, психо-, робо-) технологий. постоянный рост информационного потока ухудшение санитарно -гигиенических условий среды обитания увеличение среднестатистическог о возраста человека повышение объема нервноэмоциональных компонентов в повседневной жизни человека дефицит ресурсов мозга человека рост риска нейро- дегенеративных и других нарушений деятельности мозга Главная проблема, решаемая в проекте Co. Brain – устранение дефицита нейроресурсов (больного и здорового) человека и их увеличение (у здорового) 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 4
5 Задачи национального исследовательского проекта Co. Brain Цель Co. Brain: Расширение ресурсов (больного и здорового) мозга человека через разработку высокоэффективных технологий от клеточного уровня до уровня целостного мозга, а также интеграция мозга человека в информационные и технические среды различного уровня сложности. Задачи Co. Brain: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Фокусировка на решение одной проблемы с концентрацией имеющегося научного потенциала РФ Минимизация затрат на инфраструктуру проекта (макс. использование имеющегося оборудования) Быстрый старт и достижение значимых результатов в короткие сроки (3 года вместо 10 лет) Научно-практическая (а не фундаментальная) направленность проекта (и патенты на разработки) Проекты Co. Brain приводят к созданию новых продуктов и сервисов рынка Нейро. Нет Синергия научных, образовательных и бизнес-структур Подготовка молодых специалистов в области нейротехнологий Проект генерирует новые знания, дополняющие мировые проекты Применение (рынок результатов Co. Brain): В то время как результаты зарубежных проектов направлены в основном на диагностику и лечение различных заболеваний нервной системы (до 5 -10% популяции), то результаты Co. Brain будут востребованы всеми категориями населения (как здоровыми, так и больными) всех возрастов. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 5
6 Примеры проектов: Нейробиологические подходы по расширению ресурсов мозга человека № Уровень Подход Расширяемый ресурс Примеры технологий 1 Молекулярный «Управляемая и клеточный пластичность уровень мозга» Основа расширения и оптимизации ресурсов на базовом уровне (перебазировка нейронных сетей, нейрологическая память, обучение и другие) Нейрогенетика, Оптогенетика, Фенотипирование 2 Надклеточный уровень «Контролируемая метаболическая динамика мозга» Основа оптимизации и контроля биохимических процессов, уровня возбуждения нейронов, возрастных и патологических процессов Биофизические методы (ТМС, t. DC), Фармакологическая коррекция 3 Уровень областей и целостного мозга «Информационный контакт с мозгом» Основа расширения и оптимизации высших психических процессов (восприятие, мышление, сознание), выход на двустороннюю интеграцию мозга с внешними информационными системами (антропогенная мультимедийная среда, робототехнические кластеры, Нейронет и искусственный интеллект). Нейроинтерфейсы (неинвазивные и инвазивные), нейрокоммуникаторы, нейротренажеры, нейроассистенты 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 6
7 Примеры проектов: Технологические подходы по расширению ресурсов мозга человека № 1 Подход «Расширение каналов получения мозговых данных» Примеры продукции 1. 2. 3. 4. 2 «Глубокий анализ данных» 1. 2. 3. 3 «Нейроинтерфейсы нового поколения» 1. 2. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx Новые сенсоры и системы доставки данных Модули микроэнергетической подпитки внутримозговых сенсоров Дистанционный съем информации Носимые системы нейростимуляции Big. Data/Deep Learning+ - Современная математика, моделирование, новые задачи мультимерных нейронных сетей Системы нейровизуализации в режиме реального времени Новые системы диагностики Мультимодальные, интерактивные, адаптивные нейроинтерфейсы для массового потребителя с увеличением объема передаваемой информации Тандемные системы для взаимодействия мозга с внешним обработчиком информации на основе разделения компетенций 7
8 Связь Co. Brain с Нейронет и запросы от рыночных групп Co. Brain - это инфраструктура по консолидации науки для преодоления технологических барьеров в интересах сегментов рынка Нейро. Нет Нейро. Фарма • дополнительные когнитивные ресурсы для людей старшего возраста и молодых • новые методы лечения болезней мозга Нейромедтех • новые методы ранней компьютерной диагностики заболеваний ЦНС • ресурсы восстановленных органов чувств и дополнительные органы Нейрообразование • ресурсы концентрации, познавательной способности, объема знаний Нейроразвлечения • ресурсы креативности и быстроты мышления Нейрокоммуникации Нейро-ассистент 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx • ресурсы управления информационным потоком, противостояния ему и его селекции • ресурсы гибридного интеллекта 8
9 Анализ зарубежных проектов с точки зрения организационной структуры Human Brain Project (EU) - Централизованная иерархичная структура управления проекта под руководством лидера (Henry Markram). Используются методы моделирования на суперкомпьютерах. BRAIN (USA) - Небольшие группы, работающие в конкурентной среде для генерации Big. Data. Управление осуществляется консультационным советом при директоре NIH. Minds (Japan) & China Brain - Центральный институт (RIKEN Brain Science Institute, Япония) или коммерческая структура (Baidu, Китай) и несколько подчиненных лабораторий. • Субклеточный уровень (синапсы) • Клеточной уровень (нейроны) Лаборат ория № 1 Микроконнектом • Надклеточный уровень (колонки) • Тканевой уровень Мезоконнектом (цитоархитектоника) Методы исследовани я мозга на микроуровне Методы на исследован ия мозга мезо-уровне Компани я № 1 Лаборат ория № 2 Методы исследован ия мозга на макроуровне Центральный институт • Зоны мозга (функциональная организация мозга) Макроконнектом • Целостный мозг (поведение) Текущее состояние: кризис из-за централизованной структуры управления. Решение: реорганизация, смена лидера Big. Data Текущее состояние: (очень) медленный прогресс из-за отсутствия координации работы лабораторий. Решение: объединение лабораторий в кластеры по направлениям. Компани я № 2 Лаборат ория № 3 Текущее состояние: оба проекта были запущены недавно. По сути каждый проект представляет кластер, направленный на решение одной прикладной задачи. ВЫВОДЫ: 1) Исследования мозга ведутся параллельно на нескольких уровнях со специализацией лабораторий; 1) Наиболее оптимальным является кластерный принцип организации работ с единым центром координации работ лабораторий; 3) Во всех проектах используется подход по сбору и анализу Big. Data. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 9
10 Организационная структура Co. Brain – сеть кластеров лабораторий, объединенных информационно-аналитической платформой Организационно Co. Brain представляет собой: 1. Информационно-аналитическую платформу (ИАП), в которой собираются и анализируется Big. Data в области нейротехнологий на основе междисциплинарного подхода (нейрофизиология, психофизиология, когнитивная психология, биотехнологии, IT). 2. Нейронет-центры (ННЦ), каждый из которых включает исследовательские лаборатории, образовательные центры (ОЦ), бизнес-акселераторы (БА). Big. Data хранятся на серверах Объединенного Центра Анализа и Интеграции Данных, который предоставляет коммерческий сервис доступа к данным и аналитике для индустрии Нейро. Нет. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 10
11 Существующая научно-техническая база Co. Brain – примеры нейро- и психофизиологических лабораторий № Нейро- и психофзиологические лаборатории ЭЭГ/МЭГ (каналов) Трекинг глаз Когнитивные тесты н. ТМС Генетика МРТ 1 Психфак МГУ, Москва (Зинченко) 256 + + 2 Биофак МГУ, Москва (Каплан) 128 + + 3 НИИ ФФМ, Новосибирск (Афтанас) 128 + + + 4 ВШЭ, Москва (Ключарев) 128 + + + 5 ПИРАО, Москва (Малых) 160 + + + 6 ТГУ, Томск (Галажинский) 128 + + + 7 НЦ Неврологии, Москва (Пирадов) 52 8 БФУ, Калининград (Патрушев) 80 + + 9 МГППУ, Москва (Строганова) 128 МЭГ + + 10 Сам. ГМУ, Самара (Колсанов) 128 + + 11 Лаборатория АО «Нейро. Тренд» (Галкина) + + + 12 МГППУ, Москва (Барабанщиков) 52 + + 13 МФТИ, Долгопрудный (Конышев) + + + 14 Ур. ФУ, Екатеринбург (Кружаев) 128 + + 15 ФНКЦ ДГОИ, Москва (Касаткин) 128 16 МПГУ, Москва (Варламов) 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx + + + + 11
12 Существующая научно-техническая база Co. Brain – примеры биотехнологических и IT-лабораторий № Геномика Биотехнологические лаборатории Протеомика Метаболомика Биоинформатика + + + 1 ФНКЦ НИИ ФХМ, Москва (Говорун) + 2 ИВНД и НФ, Москва (Балабан) + + 3 НЦ Курчатовский, Москва (Анохин) + + 4 БФКС, Долгопрудный (Корзинов) + № IT-лаборатории + + + Моделирование Анализ данных Машинное обучение Параллельные вычисления Обработка ЭЭГМЭГ Картирование динамики сетей головного мозга + 1 ИППИ, Москва (Кулешов) + + 2 НИИСИ, Москва (Дунин-Барковский) + + 3 ВШЭ, Москва (Осадчий) + + + 4 ННГУ, Нижний Новгород (Казанцев) + + + 5 ФИАН, Москва (Шумский) + + 6 Сколтех, Сколково (Каталевский) + + + 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx + 12
13 География лабораторий МОН 1 кюн 1 НН методический центр технологически ориентированная молодежь кюн 30 1 МОН 25 25 лаб лаб МПТ НН центр инжиниринга и акселерации кюн 50 1 мнп 1 меп 1 1 мнп мнп молодые технологические лидеры и бизнесы в области Нейро. Нэт 1. Москва – МГУ (Каплан, Зинченко), ИВНД (Балабан), ВШЭ (Ключарев), НИИ ФХМ(Говорун), НЦ Курчатовский (Анохин), НЦ Неврологии (Пирадов), ПИРАО (Малых), ИППИ (Кулешов), ФНКЦ ДГОИ (Касаткин), МГППУ (Барабанщиков, Строганова), БФКС, МФТИ, МГПУ 2. Новосибирск – НИИ ФФМ (Афтанас), НГУ 3. Нижний Новгород – ННГУ (Казанцев) 4. Самара – Сам. ГМУ (Колсанов) 5. Томск – ТГУ (Галажинский) 6. Калининград – БФУ (Патрушев) 7. Санкт-Петербург – СПб. ГУ (Осадчий) 8. Екатеринбург – Ур. ФУ (Кружаев) 9. Ростов-на-Дону – НИИ Нейрокибернетики (Кирой, Шапошников), ЮФУ 10. Владивосток – ДВФУ (Калита) кюн НН дата центр 30 МПТ 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 13
Научно-технический совет Co. Brain – предложение ученых на проектной Форсайт-сессии (14 -15 ноября 2015) На проектной сессии группа ученых во главе с Павлом Балабаном предложила идею - каждому руководителю из рыночных направлений придать по двое ученых из тех, что пользуются авторитетом в научной среде. Рынок Нейронет Кандидаты в НТС Руководитель рыночной группы Нейро-фармакология Анохин К. В. , Говорун В. М. , Угрюмов М. В. Корзинов О. М. Нейро-медтехника Афтанас Л. И. , Пирадов М. А. Конышев В. А. Нейро-развлечения и нейро-спорт Касаткин В. Н. Статут В. Нейро-образование Малых С. Б. , Гусев А. Н. Плужник Е. Нейро-коммуникации Каплан А. Я. , Балабан П. М. Галкина Н. В. Нейро-ассистенты Кулешов А. П. , Дунин-Барковский В. Л. , Галушкин А. И. Шумский С. А. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 14 14
15 KPI Co. Brain (2016 -2018) Показатель 2016 2017 2018 Количество кластеров 3 8 10 Количество лабораторий 21 56 70 Количество специалистов, работающих в лабораториях 300 400 500 Количество патентов (российских и зарубежных) 0 10+6 40+12 Количество обученных молодых специалистов 0 150 450 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 15
16 Требования к лабораториям и их проектам Требования к лабораториям: 1. Уже выполняет исследовательские работы в течение 2 -3 лет 2. Имеет оборудование (требуется только дооснащение и расходные материалы) Требования к проектам: 1. Проект должен быть направлен на расширение ресурсов мозга человека (здорового или больного) 2. Проект должен быть завершен в течение 3 -х лет 3. Результаты проекта должны быть защищены патентом с получением приоритета в Рос. Патенте с перспективой перехода на международную фазу патентования в течении 2 х лет 4. Для экспериментальных лабораторий – регистрация и передача Big. Data на сервера ИАП (в согласованном объеме) 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 16
17 Критерии к кластерам Co. Brain 1. Объединяет лаборатории всех 3 -х типов 2. Генерирует мульти-модальные данные 3. Демонстрация достижений в виде «Вау-продукта» в декабре (2016– 2018 года) 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 17
18 Приложение 1. Запросы для лабораторий Co. Brain от рыночных групп Нейронет Рынок НЕЙРОМЕДТЕХНИКИ связан с разработкой систем ранней диагностики возрастных нейродегенеративных заболеваний и расстройств, возникающих вследствие нарушений развития головного мозга ребенка (аутизм, СДВГ), систем (нейро)-реабилитации и нейростимуляции, биоуправления протезов, экзоскелетов и инвалидных колясок. Для разработки систем ранней диагностики и нейрореабилитации требуются: • Мультимодальные данные (ЭЭГ в фоновой записи и при выполнении когнитивных тестов, с одновременным трекингом глаз, записью лица и психофизиологических параметров, с последующим сбором биомаркеров и популяционных данных) у взрослых и детей, больных и здоровых. Эти Big. Data используется для обучения нейронных сетей автоматических систем диагностики. • 3 D нейро-визуализация активности головного мозга в режиме реального времени, наложенная на индивидуальную модель мозга, построенную на основе МРТ. • Функциональное картирование в предоперационный период на основе н. ТМС. Для разработки систем нейростимуляции требуется: • Отработка методик воздействия на мозг t. DCSt. ACS с одновременным ЭЭГ мониторингом. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 18
19 Приложение 1. Запросы для лабораторий Co. Brain от рыночных групп Нейронет Рынок НЕЙРОКОММУНИКАЦИЙ заинтересован в разработках, направленных на преодоление научно-технологических барьеров при неинвазивных методах регистрации в «полевых» условиях в общих проблемных областях: • • получение «чистого» сигнала биоэлектрической активности мозга без участия эксперта (off-/online); поиск устойчивых паттернов: • различных эмоциональных состояний, запоминания, степени когнитивной нагрузки в биоэлектрической активности головного мозга; • зрительного внимания и интереса при просмотре быстро меняющихся динамических сцен, составляющих видео-контент; • внимания при восприятии слуховой информации в биоэлектрической активности головного мозга и параметрах движений глаз; разработка стандартных метрик для оценки уровня внимания, эмоциональных состояний, запоминания, степени когнитивной нагрузки; разработка нейрофизиологических методов оценки влияния контекста на принятие решения в области потребительского выбора. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 19
20 Приложение 1. Запросы для лабораторий Co. Brain от рыночных групп Нейронет Рынок НЕЙРОРАЗВЛЕЧЕНИЙ интересует: 1. Паттерны функциональных состояний в разных условиях проведения исследований (сбора данных), такие как, оператор в процессе выполнения физических действий требующих внимательности, при ментальной нагрузке и т. д. 2. Данные по ЭЭГ-коррелятам состояния монотонии. 3. Данные для формирования ЭЭГ-коррелятов по психоэмоциональным состояниям субъекта. 4. Данные для формирования ЭЭГ-коррелятов по стрессовым и околострессовым состояниям. 5. Данные по выявлению корреляции между определенными активностями и формированием более четко выраженных Мю-ритмов. 6. Данные по локализациям активностей зон мозга при использовании ИК нейроинтерфейса. Цель - достижение максимально высокой точности разрешения при использовании данной технологии на кровоточном методе, с дальнейшим использованием в портативных устройствах. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx 20
21 Приложение 2. Пример системы для мульти-модальной регистрации в стационарных условиях и у мобильного испытуемого Летом 2015 года в Германии была создана экспериментальная платформа, позволяющую снимать и анализировать мульти-модальные синхронные данные как в лабораторных условиях, так и у свободно перемещающегося испытуемого, включая виртуальную реальность. 2015_05_26 Дорожная карта Aero. Net для Президиума Сп. М. pptx Эти данные включают ЭЭГ и NIRS, полиграмму, трекинг глаз, видео-съемку человека и его лица для анализа движений, кинематики, эмоций и поведения. Когнитивная стимуляция проиводится с помощью пакетов типа E-Prime и Presentation. Для анализа мульти-модальных данных разрабатывается вычислительная платформа Mo. BILAB с открытым кодом. 21
Скачать презентацию 0 Национальный исследовательский проект Co Brain Проект по
9f41a4a1838d5aeb9efb5c780228dad9.ppt