Порталы Indicator.Ru и InScience.News продолжают юбилейную серию публикаций, посвященную 110-летию Южного федерального университета, который отсчитывает свою историю от эвакуированного в Первую мировую войну в Ростов-на-Дону Варшавского Императорского университета. Сегодня мы поговорили с Петром Косенко, кандидатом биологических наук, ведущим научным сотрудником исследовательской лаборатории разработки перспективных технологий «Нейротехнологии восприятия и распознавания» ЮФУ.
— Мы делаем цикл интервью с исследователями Южного федерального университета. Они выйдут на порталах Indicator.Ru и InScience.News. Предполагаю, что наше с вами интервью также появится в издании «Нейроновости», которое я веду — это издание о нейронауках и мозге. Поскольку ваша тематика напрямую связана с этим направлением, давайте начнем с основного. Одна из самых интересных тем в современных нейротехнологиях — это не биомиметика в чистом виде, а использование обонятельной системы животных для детекции. Расскажите, пожалуйста, о вашей работе.
— Речь идет о биосенсорике. Здесь, по сути, есть две ключевые группы задач. Первая относится к сфере безопасности — поиск различных веществ и предметов, что важно для оборонных и правоохранительных структур. Вторая — это медицинская сфера, в первую очередь раннее выявление рисков социально значимых заболеваний и онкологических процессов.
Сейчас такие задачи, как правило, пытаются решать инструментальными методами, но у них есть свои ограничения: это высокая стоимость, долгая пробоподготовка и, к сожалению, не всегда достаточная чувствительность. То есть проблема до конца не решена.
А вот у животных есть колоссальное преимущество — их обонятельная система формировалась в ходе эволюции сотни тысяч и миллионы лет. Это исключительно тонкий, совершенный механизм. Поэтому, например, собак успешно обучают находить различные вещества, и их чувствительность может достигать величин порядка 10-16 грамма на кубический сантиметр — это поистине невероятный предел.
Но есть и ограничения, обусловленные субъективными факторами: опыт кинолога, настроение животного, условия среды. Возникают и ложноположительные реакции — например, животное может отвлечься, устать или потерять концентрацию.
В наших исследованиях мы попытались уйти от этой субъективности. И здесь нам очень помог стремительный прогресс в развитии нейросетей и искусственного интеллекта. Мы используем животное как высокочувствительный биосенсор, а все решения уже принимает нейронная сеть, обученная на его сигналах. Это позволило и повысить чувствительность (до 10-19 грамм/см3), и выйти на точность более 90%.
— Когда вы говорите о точности — что вы имеете в виду?
— Это соотношение между правильно распознанными событиями и ошибками.
— Расскажите, как это работает технически. Насколько я понимаю, у вас эксперименты идут на грызунах?
— Да, все верно. Мы используем обонятельную луковицу — это первичная структура, куда поступает информация от рецепторов в носовой полости. Именно там возникает пространственно-временная картина — паттерн, характерный для конкретного запаха.
Любой объект — например, банан — представляет собой набор из нескольких десятков одорантов (летучих веществ). Каждый из них активирует свою зону. В сумме получается уникальный «узор» на поверхности обонятельной луковицы, своего рода fingerprint [отпечаток пальца — прим. ред.] этого запаха. Для яблока — один, для банана — другой.
Мы регистрируем этот узор с помощью сверхтонких микроэлектродов (толщиной всего в несколько микрон), которые имплантируем в обонятельную луковицу. Можно использовать и нейровизуализацию, но это гораздо сложнее и дороже. А электрофизиологические методы — надежнее и практичнее.
После серии предъявлений одного и того же вещества нейросеть «учится» распознавать соответствующий паттерн и в дальнейшем способна автоматически его идентифицировать.
— А если вещество замаскировано или в смеси?
— Да, такие случаи возможны и изучались. Иногда отдельные зоны активации могут частично совпадать, потому что у веществ есть схожие химические группы. Однако остаются уникальные участки паттерна. И даже на фоне очень сильных посторонних запахов нам удается выделять целевые вещества с точностью выше 0,9.
— Перейдем к медицинскому применению. Сейчас одно из стратегических направлений ЮФУ — диагностика заболеваний по выдыхаемому воздуху. Это связано с вашей работой?
— Да, это часть нашего направления. Но мы говорим не о постановке диагноза — это задача врача — а о выявлении маркеров и факторов риска. Схема та же, что и при детекции веществ.
— С какими заболеваниями вы работаете?
— На данный момент это сахарный диабет, туберкулез, рак легкого и рак желудка.
— А болезнь Паркинсона?
— Пока нет, но идеи есть.
— Очень рекомендую — сейчас активно исследуется характерный запах кожи у пациентов с Паркинсоном.
Теперь — технический момент. Импланты в мозге человека известны тем, что через месяц теряют чувствительность из-за образования глиального рубца. Возникает ли такая проблема у вас?
— Да, мы это подробно изучали. Первый месяц действительно идет процесс заживления и адаптации тканей. Однако для нас важнее не сверхчувствительность, а стабильность сигнала. И как раз спустя месяц у нас начинается наиболее воспроизводимый и устойчивый период, который может длиться до года.
— Планируется ли практический вывод этой технологии «в поле»?
— Наши разработки уже проходят апробацию — на базах Минздрава, на полигонах Министерства обороны и в других структурах. Но переход к полноценному коммерческому продукту — это следующий, гораздо более сложный этап.
— А как вы сами пришли в эту сферу?
— В нейротехнологии нельзя просто «решить прийти» — можно только заразиться. В Ростове существовала сильная школа сомнологии. Мне, еще студенту, предложили изучать сон — не психологически, а физиологически: с имплантацией электродов, регистрацией ритмов, модуляцией состояний. Потом была работа с Институтом им. Северцова РАН и Калифорнийским университетом на морских млекопитающих. Это окончательно определило мой путь на многие годы.
— Такие проекты всегда междисциплинарны. Кто входит в вашу команду?
— Примерно треть — нейрофизиологи, треть — физики, математики, программисты, и еще треть — инженеры-электронщики. Без такого сочетания сегодня невозможно решать сложные научные задачи. Мы тесно сотрудничаем с Институтом высшей нервной деятельности РАН, Институтом эволюционной физиологии и биохимии в Санкт-Петербурге, Институтом проблем экологии и эволюции им. Северцова и другими научными центрами.
— Спасибо Вам большое за разговор. Желаю дальнейших успехов — и с удовольствием буду писать о Ваших разработках на «Нейроновостях».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
