Профессор Виктор Ерохин: "В случае успеха мы сможем воспитать специалистов совершенно уникального профиля"

Мы продолжаем серию публикаций об Open Lab КФУ. В этот раз речь пойдет об искусственных нейросистемах, разработкой которых занимается профессор Института материалов для электроники и магнетизма (Парма, Италия) Виктор Ерохин.

Виктор Васильевич возглавил в Казанском университете Open Lab под названием «Электронный синапс», и, благодаря его багажу научных исследований, сформированная всего два месяца назад лаборатория уже имеет свой план развития.

С Виктором Ерохиным мы встретились сразу после его приезда из Пармы в Казань. Несмотря на загруженность и необходимость решения целого ряда срочных вопросов, Виктор Васильевич согласился рассказать нам о своей научной работе и о том, чем он будет заниматься в КФУ.

‑ Виктор Васильевич, расскажите, какой научной работой вы занимались до того, как возглавили лабораторию в КФУ?

‑ Последние 10 лет я  занимаюсь созданием электронных аналогов, которые в какой-то степени имитируют работу отдельных элементов нервной системы и мозга. Серьезным достижением в этой области можно назвать воссозданный силами моей группы участок нервной системы улитки, отвечающий за обучение этого животного в процессе кормления. Обучение в данном случае сводится к  ассоциации нейтрального стимула с присутствием пищи, в принципе, это - упрощенная версия «рефлекса собаки Павлова». К примеру, если улитка касание губ сахаром ассоциирует с приемом пищи, то потом, при касании ее губ без сахара, она открывает рот и запускает пищеварительный процесс. Вас, наверное, интересует вопрос, почему мы остановились именно на этом животном? (Киваю головой, у меня действительно возник этот вопрос – Прим. авт)

Во-первых, улитка – это достаточно простое животное, в отличие от собаки, а во-вторых, математическая модель ее нервной системы уже была реконструирована в рамках европейского проекта, одним из руководителей которого я являлся. Наши партнеры из Англии на основе данных, полученных с помощью вживленных микроэлектродов, сделали карту расположения нейронов и синапсов (отвечают за распространение импульса в нервной системе) у улитки. За обучение у этого животного отвечает система, содержащая всего два синапса, поэтому было достаточно легко воспроизвести все это на основе наших элементов, которые являются их электронными аналогами. В принципе, синапс можно воспроизвести и с помощью традиционной электроники, но для реализации одного синапса необходимо порядка 80 транзисторов.

У нас же используется всего один элемент, а его свойства зависят не только от сиюминутной конфигурации стимулов, которые на него подаются, но и от предыстории его функционирования. Подобным образом работает и мозг. Наше поведение определяется не только текущей ситуацией, но и опытом, который мы накопили на данный момент времени.

Из последних наших работ мне хотелось бы отметить реализованную стохастическую систему (случайным образом организованных) электронных синапсов, на которой мы наблюдали аналогии с «детским» и «взрослым» обучением. Как Вы знаете, характер личности формируется на самом раннем этапе развития человека. В этот период устанавливаются связи, которые потом практически всю жизнь остаются неизменными. Мы создали такую случайным образом организованную систему. В зависимости от того, каким образом ее обучить, то есть какой алгоритм внешних стимулов к ней применить, так она себя и ведет. В одном случае она может имитировать взрослое обучение, а в другом ‑ детское. Либо это долгосрочные связи, долгосрочная память, либо – это наша повседневная память, когда мы можем запомнить, а потом легко забыть и переучиться.

‑ В КФУ вы собираетесь заниматься именно этими направлениями?

‑ Мы уже установили тесное сотрудничество с биологами, исследуем наработанные ими модели, с целью их применения для искусственной реализации их аналогов на основе органических мемристорных приборов.

В КФУ есть группа физиков, биологов, математиков, разработавших модель организации нервной системы моллюска Helix lucorum, и первым этапом нашего сотрудничества будет как раз воспроизведение этой модели. Надо сказать, что организация нервной системы этого животного сложнее, чем у воспроизведенной ранее улитки. Необходимо будет посмотреть, каким образом различные стимулы будут влиять на пластичность поведения моллюска, и сравнить все это с тем, как ведут себя настоящие живые организмы. Потом мы будем усложнять эту систему, и, в принципе, наша глобальная конечная цель в Казанском университете, где очень сильно развито биологическое направление, – создание искусственной обучаемой системы, которая будет оснащена также датчиками и исполнительными элементами.

На ней можно будет делать модельные эксперименты, которые по этическим, техническим соображениям запрещено проводить на животных и людях, исследовать возникновение аномалий психики, влияние различных факторов на возникновение этих аномалий, можно будет попытаться найти и внешние воздействия, которые могли бы произвести терапию аномалий. Это будет некий инструмент, который позволит лучше понять работу психики и, возможно, предотвратить возникновение заболеваний, найти способы нехимического внешнего воздействия на уровне стимулов, рецепторов, которые позволили бы скорректировать возникновение аномалий.

‑ Есть ли у вас какие-либо подпроекты?

‑ Электронный синапс, безусловно, является нашей приоритетной линией исследования. Но есть еще одно интересное направление, также связанное с использованием подходов молекулярной архитектуры.

Данная область исследования направлена на создание идеальных контейнеров для доставки лекарственных препаратов в организме к зоне риска. Так как любой лекарственный препарат обладает побочными эффектами, это достаточно важная и интересная проблема. Метод заключается в том, что на поверхности твердого ядра собирается функциональная оболочка, которая, после растворения ядра, превращается в контейнер, который можно заполнить лекарственным препаратом. Размер контейнера может варьироваться от десятков нанометров до нескольких микрон; толщина оболочки – несколько нанометров.

Поверхность оболочки содержит специфические молекулы (рецепторы, антитела), которые позволяют направленно доставить объект к месту назначения, присоединить к зоне риска, а потом, если это заболевание локально изменяет метаболизм (появляются несвойственные здоровому организму молекулы, изменяется кислотность или ионный состав среды в зоне заболевания), автоматически произвести раскрытие контейнера и впрыскивание лекарства именно в этой зоне.

Однако, данные контейнеры могут быть использованы не только для разработки лекарственных препаратов. В последнее время, буквально в последний год, мы пытаемся использовать данные контейнеры в качестве важных элементов био-компьютеров.

Метод полиэлектролитной самосборки, более известный как нанесение слой-за слоем, дает возможность покрытия практически любых поверхностей с различной формой и физико-химическими свойствами.

Этот метод начали развивать в начале 90-х годов прошлого века, он очень широко используется и сегодня, суть его в следующем: любая поверхность, твердая подложка погружается в раствор, содержащий заряженный полимер, далее этот полимер абсорбируется на поверхности, заряжая ее, причем толщина абсорбированного слоя составляет где-то порядка одного нанометра, больше слой не растет, потому что происходит электростатическое отталкивание. После этого подложка отмывается от случайным образом налипших на нее при вынимании молекул и погружается в раствор полимеров с противоположным зарядом. Электростатически он связывается и вырастает до определенной толщины, выше которой вырасти не может из-за электростатического отталкивания. Именно таким образом можно собирать структуры. Причем полимеры могут быть неодинаковые: биополимеры, ДНК, белки, наночастицы, имеющие при определенных условиях заряд.

Таким образом, мы можем иметь молекулярную архитектуру с разрешением в один нанометр, строить некое функциональное здание, каждый этаж которого будет выполнять свою миссию. Полимерные капсулы строятся именно так.

Этот же самый подход будет применен здесь, в КФУ, для создания искусственных синапсов. К примеру, для имитации мозга нам нужна трехмерная система. Существует несколько подходов, тот, который мы собираемся развивать здесь, это навеянный природой вариант, который увеличит стабильность системы, ‑ аналог скелетов. Для этого мы будем использовать пористые материалы и покрывать всю их разветвленную поверхность слоями, необходимыми для работы нашего элемента, который будет состоять из проводящего полимера и твердого электролита. Существует не так много методов, которые позволили бы покрыть даже внутри этих пор всю поверхность так, как это нам нужно. В большей части опубликованных моей группой работ, был использован другой метод, тоже позволяющий по-своему переносить материалы с нанометровым разрешением по толщине, но гораздо более трудоемкий,  требующий дорогого оборудования и позволяющий создавать структуру только на плоских поверхностях.

В плане глобальных задач эти два направления (контейнеры и биоподобные компьютеры) объединятся года через два-три, а в технологическом смысле метод, примененный для одного объекта, будет сейчас применен и для другого. Хочу добавить, что и в КФУ уже используются подобные методики в лаборатории "Бионанотехнологии" под руководством доцента кафедры микробиологии Института фундаментальной медицины и биологии КФУ (ИФМиБ КФУ) Равиля Фахруллина.

‑ Давайте вернемся к становлению вашей лаборатории, как проходит процесс формирования коллектива?

‑ Мы находимся в самом начале пути. Есть я, есть ведущий сотрудник по физике и электронике из Москвы кандидат физико - математических наук В.Г. Сорокин, есть Ph.D. in Biophysics Светлана Воронова, которая занимается вторым моим главным направлением исследований. В ближайшее время мы объявим конкурс на набор младших научных сотрудников и научных сотрудников, аспирантов. Скорее всего, у нас будет двойное руководство аспирантами, в котором примут участие биологи и физики.

‑ С какими именно учеными, научными коллективами вы планируете тесно сотрудничать внутри университета?

‑ Сегодня у нас происходит достаточно плотное взаимодействие с различными научными группами КФУ. Вы знаете, что наше базовое подразделение – Институт фундаментальной медицины и биологии КФУ, с которым мы и планируем проводить совместные работы, направленные именно на имитацию функционирования живых существ. Неоценимую помощь в организации и становлении лаборатории, наряду с директором института профессором Андреем Киясовым и его заместителем по научной работе доцентом Рашатом Файзуллиным, нам оказывает куратор направления профессор Альберт Ризванов.

Мы активно сотрудничаем и с химиками, физиками. Так как наше направление по определению междисциплинарное, нам это взаимодействие необходимо.

К примеру, доцентр кафедры радиоэлектроники КФУ Андрей Скоринкин  занимается моделированием процессов в каналах нейронов. Еще один физик – профессор Халил Гайнутдинов ‑ возглавляет лабораторию, которая построила модель организации нервной системы моллюска. Параллельно он изучает этого моллюска. Мы же будем пробовать на основе его модели создать электронную нервную систему этого живого организма, после чего сравним, как себя ведут моллюск при определенных условиях, стимулах и наша электронная система. На самом конечном этапе этого проекта мы соединим все математические модели с нашей электроникой и попробуем применить данный комплекс к описанию биологических систем. Таким образом, получится некий гибридный агрегат, который мы будем исследовать.

Отрадно, что в случае успеха мы можем воспитать специалистов совершенно уникального профиля, разбирающихся в физике, химии, биологии, органической технологии и компьютерной технике.

‑ Спасибо за интересную беседу, Виктор Васильевич! Успехов вам и вашему научному коллективу!