Исследовательская группа

Группа нейробиологии и физиологии развития

Наша команда занимается разработкой вычислительного фреймворка, который используется для построения динамических пространственных моделей организации и развития нервной ткани, а также динамики базовых сигналов внутри нее.

Наша модель включает функциональные возможности, отсутствующие в других существующих симуляциях биологических нейронных сетей, включая способность детально отслеживать все события на уровне индивидуальных клеток внутри системы по мере ее развития, регистрировать изменения большого количества различных биологически релевантных параметров, а также описывать поведение популяции клеток как единого целого. Подход BCNNM (Biological Cellular Neural Network Modeling) использует предикатное описание последовательностей биохимических реакций и может быть использован для запуска сложных моделей формирования многослойной нейронной сети из небольшого числа исходных стволовых клеток. Прогон модели воссоздает важные клеточные и тканевые события в развитии нервной системы. Фреймворк BCNNM реализован на принципах динамического моделирования с возможностью вероятностного описания процессов. В рамках нашей модели возможна подробная реализация биологических механизмов, пользователи могут выбрать желаемый уровень детализации для описываемых процессов (от сдвигов внутриклеточных концентраций ферментов до взаимодействий групп клеток, образующих многоклеточные структуры высокого уровня). Мы можем создавать структуры с большим количеством специфических связей, моделировать прохождение химических и электрических сигналов внутри них и раскрывать особенности их работы.

BCNNM может быть использован для подробного in silico воспроизведения in vitro экспериментов, направленных на получение детальных наборов параметров всех ключевых компонентов (клеток, их компартментов, синапсов и т. д.), предоставляя новые данные для нейробиологических исследований. Применение фреймворка для предварительного вычислительного тестирования биологических гипотез позволит снизить стоимость постановки лабораторных экспериментов и ускорит процесс проведения исследований.

Темы исследования:

  • Изучение ранних стадий нейрогенеза: регуляция пролиферации предшественников нервных клеток и их дифференциации в зрелые типы клеток; установление «здоровых» количественных соотношений различных типов зрелых клеток
  • Эксперименты с более поздними стадиями нейрогенеза: миграция и формирование слоев коры, образование связей внутри коры
  • Моделирование развития и клеточных процессов в «мини-мозгах» (органоидах мозга)
  • Посттравматический нейрогенез

Первоначально проект был запущен в декабре 2013 года, с мая 2014 года он работает в рамках JetBrains Research.

Модель развития церебрального органоида

Представляем фреймворк BCNNM: платформу для пространственного моделирования нервной ткани, основанную на дискретно-событийной (DES) парадигме. Платформа включает в себя набор базовых клеточных механизмов: химическую диффузию, пролиферацию клеток, миграцию и гибель клеток. Все модели конфигурируются пользователем извне. BCNNM может работать на любой системе, поддерживающей Java: Windows, Linux, OSX и т.д. Фреймворк способен моделировать тысячи клеток за считанные минуты даже на ноутбуке. Мы разрабатываем BCNNM с целью использования его в науке и биотехе для исследований сложного поведения нервных клеток и их предшественников в различных условиях.

Состав