К 40-летию НИИ нейрокибернетики им. А.Б. Когана Южного федерального университета.

ИСТОКИ И ЦЕЛИ

НИИ НК был организован а 1971 году на основе кафедры физиоло­гии человека и животных и лабо­ратории «Биофизика» Ростовского госуниверситета, существовавшей к тому времени семь лет. Вместе с другими исследовательскими ин­ститутами РГУ он вошел в структуру Северо-Кавказского научного цен­тра высшей школы, созданного по инициативе члена-корреспондента РАН Ю.А.Жданова.

Задолго до этого, в 1963 году, была сформирована межфакуль­тетская группа биофизики. В ней по специальной программе про­ходили совместное обучение сту­денты биологического, механико-математического и физического факультетов РГУ. Такого в мировой практике высшего образования до того не было. Выпускники этой группы постоянно пополняли сна­чала коллектив лаборатории «Био­физика», а затем и НИИ НК.

НИИ нейрокибернетики был соз­дан по инициативе выдающегося отечественного нейрофизиолога и организатора науки профессора Александра Борисовича Когана (1912-1989). За вклад в отече­ственную физиологическую науку профессор А.Б. Коган был удостоен премий им. И.П. Павлова (1960) и им. И.М. Сеченова (1980) АН СССР. Он неодно­кратно представлял результаты исследований и разработок лаборатории «Биофизика» и НИИ НК на крупнейших между­народных форумах. С 1992 года институт носит имя своего основателя.

Создание института стало импульсом для организации широкого фронта поисковых исследований с применением различных методов (нейро­химических, гистологических, электронной микроскопии, мульти микроэлектродного отведения нейронной актив­ности, регистрации ЭЭГ, анали­тического и имитационного мо­делирования и других). Базой мультидисциплинарных исследований стали оригинальные теоретические концепции и наличие существенных экс­периментальных материалов. С их помощью нужно было выяснить механизмы высокой надежности и пластичности нейронных конструкций мозга.

Перспективной целью инсти­тута было создание научно-тех­нического задела для решения проблемы синтеза принци­пиально новых технических систем адаптивного управления и разработка методов оптимизации функционального состояния человека-оператора на базе комплекс­ных исследований принципов и механизмов организации работы мозга животных и человека

В ОСНОВЕ - АЛЬЯНС ТОЧНЫХ НАУК

На всех этапах исследований - от постановки задачи до проведения управляемых ЭВМ экспериментов и имитационного моделирования - работа экспериментаторов-нейрофизиологов проходила в тесном взаимодействии с математиками, физиками и инженерами. Наибо­лее интересные результат такою альянса были получены при изучении нейронной организации дыхательного центра (авторы - А.А. Чумаченко, В.Н. Ефимов), ре­цепторов растяжения речного рака (В.Д. Цукерман), соматосенсорной и зрительной коры мозга крыс и морских свинок (А.Г. Сухов, Л.Н. Подладчикова, С.А. Чебкасов, И.А. Рыбак). Экспериментальная вери­фикация гипотезы о вероятностно-статистической организации мозга позволила обнаружить нейронные ансамбли (С.А. Шибкова, Л.Д. Карпенко, А.Г. Сухов, Л.Н. Подладчикова, Б.М. Владимирский), описать их как элементы структур­но-функциональной организации различных образований мозга и прийти к выводу о том, что одним из способов их функционирования при обработке простых сигналов и компенсаторных перестройках яв­ляется статистическое усреднение активности отдельных нейронов.

ПРИЗНАНИЕ ПРИШЛО ПОЗДНЕЕ

В исследованиях, направленных на решение сформулированных А.Б.Коганом локальных задач, был получен ряд принципиально новых экспериментальных фактов. В частности, продемонстрирована возможность регенерации нервной ткани на ранних этапах постнатального развития животных (Т.В. Алейникова), описана динамика пространственного расположения митохондрий в нейронах при из­менении их функционального состояния (Г.М. Федоренко), по­казана возможность кодирования сенсорных сигналов латентным периодом нейронного ответа (Ю.П. Алейников), продемонстрировано наличие пространственно упоря­доченных локальных воздействий неспецифических структур на кору головного мозга (Г.Г. Бондарь), вы­яснены закономерности отражения в пространственно-временной организации ЭЭГ деятельности механизмов регуляции функци­онального состояния мозга (В.Н. Кирой). Эти факты не всегда оце­нивались по достоинству научным сообществом в момент их публикации, поскольку большая их часть противоречила общепринятым представлениям. Однако результа­ты этих пионерских работ неодно­кратно подтвердились позднее в многочисленных исследованиях.

В РОСТОВ, НА ФОРУМ

НЕЙРОКИБЕРНЕТИКОВ

Первая отечественная конфе­ренция по нейрокибернетике со­стоялась в 1962 году в Ростовском госуниверситете. В 2012 году будет отмечаться 50-летие конференций по нейрокибернетике: все 15 всесоюзных и международных проводились в Ростове-на-Дону на базе института нейрокибернетики.

С 1990 по 1995 годы в НИИ НК по инициативе его директора В.Л. Дунина-Барковского было проведено несколько крупных научных ме­роприятий, в частности, выездная сессия Отделения информатики, вычислительной техники и авто­матизации РАН «Информатика, физика и электроника нейронных и нейроподобных систем» (1990, председатель оргкомитета - ака­демик Е.П. Велихов), междуна­родный семинар «Robot Vision» .(1996) и два симпозиума RNNS/IEEE Symposium on Neuroinformatics and Neurocomruters (1992, 1995), организованные совместно обще­ством IEEE и Российской ассоци­ацией нейроинформатики. Осо­бую роль в развитии взаимодей­ствия НИИ НК с отечественными и международными профильными научными центрами и организа­циями сыграли V конференция по нейрокибернетике (1973) и симпозиум (1992), в которых уча­ствовали ведущие ученые страны и мира (акад. П.К. Анохин, акад. М.Н. Ливанов, А.И. Галушкин, А. Гутман, Р. Доти, Грей Уолтер, Э. МакНикол, Дж. Ракич, Ш. Амари, М. Ито, Р. Хехт-Нельсон, Р. Маркс, Дж. Тэйлор и другие). Сразу после симпозиума сотрудники НИИ НК И. Хандошко, Е. Бухарин по при­глашению профессора Масао Ито прошли стажировку в RIKEN Brian Science Institute в Японии.

СОТРУДНИЧЕСТВО БЕЗ ГРАНИЦ

В последние десять лет институт воспользовался благоприятной тенденцией, обусловленной ростом интереса к нейронным ис­следованиям, и принципиально новыми возможностями Южного федерального университета. Благодаря выигранным проектам РФФИ, РГНФ, Роснауки, развитию международного научного сотрудничества, своей информационной, технологической и приборной базе удалось стабилизировать штатную структуру, привлечь к работе талантливую молодежь, повысить продуктивность своей деятельности.

В настоящее время НИИ НК про­водит совместные исследования с университетами и НИИ Москвы, Санкт-Петербурга, Нижнего Нов­города и других городов России, в том числе с Институтом высшей нервной деятельности и нейро­физиологии РАН, биологическим факультетом и факультетом психо­логии МГУ, Мурманским морским биологическим институтом РАН, Калмыцким госуниверситетом. Совместно со 124-й лабораторией СКВО была создана компьютерная экспертно-диагностическая систе­ма медико-криминалистической идентификации личности, хорошо зарекомендовавшая себя при опоз­нании погибших в районах боевых действий на территории России.

За выполненную работу пятеро со­трудников института награждены орденами и медалями Российской Федерации.

НИИ ПК сотрудничает с Инсти­тутом физиологии труда Дортмундского университета, Миддлсексским университетом (Ве­ликобритания), Дрексельским университетом, университетом Лос-Анджелеса, Коннектикутским университетом. Университетом штата Вашингтон, Университетом Дж. Вашингтона (США), Медицин­ской школой университета Хоккай­до, Институтом исследования рака Осло, Университетом Тампере, Венским университетом. Основой сотрудничества являются не только идеи, развиваемые в институте, но и современное оборудование, которым он располагает.

КОГДА  НАУЧНЫЕ ИНТЕРЕСЫ СОВПАДАЮТ

Работы НИИ ПК по созданию активных систем машинного зре­ния (зрения роботов), пионером проведения которых является А.И. Самарии, нашли признание международной научной обще­ственности. Так, еще в 1995 году в специальном выпуске меж­дународного журнала NEURAL NETWORKS, посвященном про­блеме автоматического распозна­вания целей, ведущий специалист в области нейрокомпьютинга Р. Хехт-Нельсен (США) подчеркивал, что в основу его работ были положены результаты исследо­ваний НИИ нейрокибернетики по активному зрению, и отме­чал международный приоритет этих исследований. Лаборатория LACOS Гаврского университета во Франции, признавая приоритет работ НИИ Н К в области активного зрения роботов, выступила с пред­ложениями о реализации совместного проекта по этой проблеме с финансированием взаимных визитов французской стороной. С аналогичным предложением о развертывании работ по активно­му зрению о институт обратился профессор Сеонг-Вон Ли из Сеуль­ского университета. По подготов­ленному институтом обоснованию был получен национальный грант на проведение исследований в этом направлении. Научные сотрудники А.В. Головань, С.Н. Маркин в течение года работали в Сеульском университете с внедре­нием моделей зрительных систем, разработанных в НИИ НК.

РЕЗУЛЬТАТ НАУЧНОГО ПОИСКА - ИННОВАЦИИ

Результаты фундаментальных исследований используются для реа­лизации инновационных проектов. В частности, разработаны и внедрены

- методы оценки действия новых лекарственных препаратов на осно­ве анализа ритмической активности мозга, адаптивной транскрани­альной магнитной стимуляции для управления функциональным состо­янием мозга, немедикаментозного лечения депрессивных расстройств;

- серии устройств биомедицинского назначения, предназначенных для нормализации функционирования и лечения заболеваний сенсорных систем, проведения нейро- и пси­хофизиологических обследований, силомоментного очувствления;

- оригинальная биометрическая система санкционированного до­ступа и идентификации личности на основе распознавания изображений лиц;

- система FOSTS (Foveal Systems for Traffic Sign Recognition), пред­назначенная для распознавания дорожных знаков инвариантно к погодным условиям, скорости и по­лосы движения автомобиля, а также расстоянию до знака;

- система DNA-expert Lab, предна­значенная для автоматизации об­работки результатов ДНК-анализа в судебно-медицинских и крими­налистических лабораториях при решении задача идентификации личности.

Об эффективности научной ра­боты института свидетельствуют факты: в 2010 году его сотрудниками опубликованы 92 научные работы, в том числе одна монография, 20 ста­тей в высокорейтинговых журналах, сделано 25 докладов на престижных международных научных конферен­циях, защищено три кандидатских диссертации.

Всего с момента организации ин­ститута его сотрудниками защищено 80 диссертаций.

В течение многих лет НИИ НК был единственным в стране и в мире институтом такой направленности. В настоящее время научные учрежде­ния, которые декларируют близкие цели и проводят экспериментальные и модельные исследования на раз­личных уровнях организации нерв­ной системы, имеются во многих странах мира.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАЛЬНЫ

Сегодня методы нейроинформатики рассматриваются как важней­ший инструмент для формирования интегративной нейробиологии. Основными областями применения этих методов являются: создание стандартизованных компьютерных баз первич­ных экспериментальных данных, полученных на различных уровнях ис­следования, для ши­рокого распростране­ния и использования в различных научных центрах; разработка специализированных средств для анализа дан­ных; создание цифровых атласов мозга; разра­ботка вычислительных многомерных моделей, аккумулирующих не­противоречивые экспе­риментальные данные. К сожалению, область мо­делирования как инструмента для тестирования нейрофизиологических гипотез и формулиров­ки предположений, до­ступных верификации в направленных экспери­ментах и последующего уточнения модели на основе полученных экспериментальных фактов, не полу­чила должного развития. Именно такой подход используется в НИИ НК на всех этапах его развития (В.Н. Ефимов, В.Д. Цукерман, И.А. Рыбак, Л.Н. Подладчикова, Д.Г. Шапошни­ков). НИИ НК мог бы стать одним из центров нейроинформационного Российского узла INCF - предложе­ние о его создании было получено от председатели совета INCF Стена Гриллнера. В институте накоплен большой объем компьютерных баз экспериментальных данных, методов анализа, средств моделирования и атласов мозга, которые могут представлять интерес в рамках действующей программы INCF.

Сегодня и мире активно развива­ются несколько направлений соз­дания новых технологий и систем, которые основаны на нейробиологических знаниях и имеют важное значение в социальном аспекте. В частности, на повестке дня соз­дание систем BCI (Brian-Cmputer-Interface), способных обеспечить управление внешними устройствами непосредственно активностью мозга, произвольно регулируемой пользователем. В НИИ ПК последние два года создан экспериментальный задел в этом направлении и разра­ботан прирост свой классификатор для разделения характеристических паттернов ЭЭГ (Б.М. Владимирский, В.Н. Кирой, А.Э. Тамбиев, И.Г. Ше­пелев). Кроме того, в 2009 году на XV Международной конференции по нейрокибернетике проведен первый Российский симпозиум по проблеме BCI.

Более длительную историю име­ет разработка подходов к созданию систем HCI (Human-Computer Interactions), в большинстве случаев основанных на информации о дви­гательной и вегетативной активно­сти человека. НИИ НК интегрирован в проведение исследований и разра­боток по международному проекту, поддержанному РГНФ, и развивает оригинальный подход, основанный на анализе визуальной информации о положении лицевых опорных точек (Д.Г. Шапошников, С.И. Анищенко). Мир стоит в преддверии новой технологической эпохи, основу которой составят гак называемые NBIC (Nano-Bio-Info-Cognitive) кон­вергентные системы и технологии, активно разрабатываемые в ряде стран мира. Они будут представлять собой синергетические комбинации нанотехнологий, биотехнологий, информационных технологий и ког­нитивных наук, каждая из которых в настоящее время находится в стадии бурного роста. НИИ НК имеет доста­точный потенциал для интеграции в разработку конвергентных технологий, которые рассматриваются как перспективный путь к созданию новых (биоподобных) информаци­онных и энергетических систем.

РАСТИМ НЕЙРОКИБЕРНЕТИКОВ НОВОЙ ГЕНЕРАЦИИ

Один из приоритетов НИИ НК - забота о привлечении молодежи и создание условий для ее эффектив­ной работы. В последние годы в свя­зи с расширением международных связей института, наличием грантов РФФИ, РГНФ, реализацией про­граммы «Университеты России», проектов Роснауки и созданием ЮФУ появились дополнительные возможности. Немаловажную роль в профессиональном росте моло­дежи играет ее участие в между­народных школах и стажировках. Оно осуществляется, в том числе, с использованием внебюджетных средств НИИ НК. Молодые ученые НИИ НК участвовали в проекте BioN по программе TEMPUS (2010-2012), проекте BRIGE Британского Совета (2008-2010), школе по компью­терному зрению (2010, Сицилия), школе CIMO (2011, Хельсинки), кур­сах по анализу данных томографии мозга (2004, Имперский колледж Лондона), Европейском совещании для аспирантов в области иссле­дований слуха (2009, Ноттингем), школах по вычислительным нейронаукам (2009, Берлин; 2009, Фрайбург; 2007, Аркаон).

Все это позволило поддерживать талантливую молодежь и реали­зовать принципиальное решение о закреплении молодых ученых (в том числе аспирантов) на штатных научных должностях. 19-ти моло­дым ученым института, среди кото­рых четверо имеют ученую степень, еще нет и 35 лет. Они плодотворно участвуют в фундаментальных ис­следованиях и прикладных разра­ботках, публикуются в престижных отечественных и зарубежных жур­налах. Доклады молодых ученых НИИ НК неоднократно отмечались дипломами на всероссийских и международных конференциях. В 2010 году Ученым советом института было принято решение об учрежде­нии пяти премий имени профессора А.Б.Когана для молодых ученых института в возрасте до 25 лет. В преддверии 2011 года каждому победителю был выдан сертифи­кат. Двое молодых сотрудников института были удостоены премии губернатора Ростовской области.

Институт активно участвует в об­разовательной деятельности ЮФУ. В настоящее время в нем специали­зируются 40 студентов различных факультетов (биолого-почвенного, физического, математического и психологического), обучаются 6 аспирантов. Под руководством сотрудников института студенты выполняют курковые, дипломные и магистерские работы. В 2010 году 12 студентов выступили с докла­дами на научных и студенческих конференциях, четыре из них были отмечены дипломами, 8 студентов являются авторами научных публи­каций. По окончании обучения в университете лучшим из них будет предоставлена возможность рабо­тать в институте. Участие молодых ученых с различным базовым обра­зованием в проведении тематиче­ских НИР в лабораториях института является важным фактором сохра­нения традиции, сформировавшей­ся с момента организации НИИ НК, способствуют развитию уникального - мультидисциплинарного подхода.

Подобно нашему Учителю, уде­лявшему большое внимание пу­бличным, зажигающим молодежь  лекциям по нейрокибернетике, сотрудники института проводят занятия не только со студентами, но и со школьниками, в частности, в Донской академия наук юных ис­следователей во Дворце творчества детей и молодежи, в дни открытых дверей. В институте разработан комплекс обучающих Интернет-сайтов для учащихся сельских, школ. Все это создает предпосылки для формирования у школьников интереса к научным исследованиям в области нейронаук.

Коллектив института полон но­вых идей и творческих сил и в преддверии 40-летия с оптимизмом смотрит в будущее. Выяснение на новом методологическом и ме­тодическом уровнях механизмов управления через обратную связь с внешней средой, преднастройки1 сенсорного восприятия остаются' актуальными задачами и ждут нейрокибернетиков новой гене­рации. Нейрокибернетика. наука о самоорганизации, управлении и ереработке информации в нерв­ной системе влечет нас к новым горизонтам.

НАКАНУНЕ ИСТОРИЧЕСКИХ ДАТ

В 2012 году в НИИ нейрокибернетики будут отмечать сто лет со дня рождения лауреата премий им. И.П. Павлова и ан СССР, основателя НИИ НК профессора А.Б. Когана и полвека Первой международной научном конференции по нейрокибернетике. Этой памятной дате будет посвящена 16-я международная конференция.

В.Н. Кирой, директор НИИ НК им. А.Б. Когана ЮФУ, доктор биологических наук, профессор

Б.М. Владимирский, ведущий научный сотрудник НИИ НК им. А.Б. Когана ЮФУ, доктор биологических наук, профессор

Л.Н. Подладчикова, заведующая лабораторией нейроинформатики сенсорных и моторных систем НИИ НК им. А.Б. Когана ЮФУ, кандидат биологических наук

О.Г.ЧОРАЯН, профессор кафедры физиологии человека и животных биолого-почвенного факультета ЮФУ, доктор биологических наук.