Большинство млекопитающих относится к так называемым макросматикам – животным с высокоразвитым обонянием. Эти виды способны различать в воздухе чрезвычайно малые концентрации веществ.

Данная особенность сегодня широко используется при обеспечении безопасности, однако эффективность специально тренированных животных часто оказывается низкой из-за их поведенческих особенностей, физиологического состояния и ряда психологических факторов при взаимодействии с людьми.

Команда ученых НИТЦ Нейротехнологий ЮФУ создала биогибридную систему, позволяющую интегрировать животное в компьютерное распознавание запахов для поиска запрещенных веществ и проверки грузов.

Авторы подчеркивают, что биогибридная система, основанная на малоинвазивных имплантатах и нейросетях, превосходит лучшие аналоги по чувствительности более чем в миллион раз, а «натаскать» ее на любое новое вещество можно всего за полчаса. 

«Мы создали сверхчувствительную систему, состоящую из животного, в обонятельную луковицу которого вживлена матрица микроэлектродов. Также система включает усилитель биологических сигналов, аналого-цифровой преобразователь и специальное программное обеспечение на основе большого набора нейросетей», – рассказал ведущий научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко.

Ученый также отметил, что благодаря новой системе можно проводить подробную регистрацию и анализ того, что именно животное вдыхает в данный момент. Таким образом, разработку нельзя обмануть, как обычное тренированное животное, замаскировав запрещенное вещество с помощью резких запахов.

«С помощью компьютерной программы происходит считывание активности мозга, из нее извлекаются паттерны электрических сигналов, отвечающие конкретному веществу или набору веществ. Мы добились повышения чувствительности распознавания примерно на девять порядков по сравнению с большинством технических аналогов», – отметил Петр Косенко.

Еще одной отличительной особенностью разработки высокая скорость анализа и низкая себестоимость. 

В качестве «живого сенсора» специалисты ЮФУ использовали крыс, введенных в медикаментозный сон и помещенных в специальный переносной бокс. Здоровью животного при этом ничего не угрожает, а каждая «рабочая смена» длится не более двух часов.

«Данной проблематикой довольно активно занимаются за рубежом, однако пока глубокой и эффективной интеграции математического и биологического аппарата, как в нашей работе, достигнуто не было», – прокомментировал ученый.

Лабораторные исследования показали стопроцентную эффективность новой системы. Сейчас разработка проходит полевые испытания. 

Исследование, результаты которого опубликованы в «Журнале аналитической химии», было проведено при поддержке Фонда перспективных исследований. Кроме того, данного направление является одним из стратегических для ЮФУ в рамках федеральной программы «Приоритет-2030»(Национальный проект «Наука и университеты).

Текст: Юлия Сопрунова