Как занимаются моделированием динамики живых систем

доцент кафедры фундаментальной математики, старший научный сотрудник Международной лаборатории динамических систем и приложений факультета информатики, математики и компьютерных наук НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде

о сотрудничестве Вышки с другими российскими вузами в рамках конкурсной программы «Зеркальные лаборатории» — о совместном проекте НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде и Саратовского государственного медицинского университета имени В.И. Разумовского «Математическое и радиофизическое моделирование сложной динамики живых систем для развития методов анализа экспериментальных данных».

Выступление А.С. Караваева на конференции в нижегородской Вышке

— Как возникла идея вашего проекта?

— Наш проект «Математическое и радиофизическое моделирование сложной динамики живых систем для развития методов анализа экспериментальных данных» представляет собой коллаборацию математиков, радиофизиков и медиков. На мой взгляд, междисциплинарность — это наиболее перспективный тренд развития науки. Если посмотреть ретроспективно на историю науки, то можно увидеть, что сначала возникла философия, которая пыталась объяснить устройство мира и различные явления, окружающие людей. Постепенно, с ростом знаний о природе, о мире, начали появляться отдельные научные области, которые открывали свои законы. В ХХ веке стартовало направление синергетики и пришло понимание того, что многие процессы в различных областях науки происходят по схожим законам, при этом к одним и тем же процессам можно применять подходы различных наук. И, следовательно, можно одним и тем же инструментом исследовать явления из разных областей жизни. Можно сказать, что начался обратный процесс — объединение отраслей и ученых с накопленным ими багажом знаний в разных областях. Появилась такая профессия, как системные аналитики, которые используют универсальные инструменты анализа применительно к абсолютно разным данным. А в следующем поколении из них выросли специалисты по анализу данных, так называемые data scientists, работающие с большими массивами данных, для качественного анализа которых необходимо уже взаимодействие специалистов из разных областей. Поэтому я считаю, что междисциплинарность — это путь, по которому сейчас развивается передовая наука, и очень важно находить совместные задачи для сотрудничества со специалистами из других областей.

— В чем цель вашего проекта?

— Проект направлен на развитие методов исследования сложных объектов, таких, например, как сердечно-сосудистая система человека. И мы рассматриваем разные подходы. Один из них основан на извлечении информации из биосигналов, полученных экспериментально. Другой подход состоит в разработке радиофизических аналогов различных математических моделей, в т.ч. из биофизики, и их экспериментальном исследовании. Для того чтобы подойти к предмету с таких различных точек зрения, взглянуть на проблему с разных ракурсов, нам был необходим партнер, имеющий доступ к реальным данным и практический опыт работы с ними. Таким партнером стал НИИ кардиологии Саратовского государственного медицинского университета имени В.И. Разумовского, который базируется в одной из городских клиник города Саратова и потому может предоставлять нам доступ к экспериментальным данным кардиологических исследований, полученных как от пациентов кардиологического профиля, так и от здоровых лиц.

С.В. Гонченко выступает на совместном научном семинаре

— Как набиралась команда проекта? Расскажите о том, чем занимаются участники проекта.

— Для реализации такого рода проектов важно наличие диалога и взаимодействие партнеров из разных областей знания. Поэтому было важно собрать команду, которая будет говорить на одном языке. Я работаю в междисциплинарных направлениях уже достаточно длительное время и хорошо знакома с ситуацией, когда специалисты из разных областей не понимают друг друга.

Команда со стороны Высшей школы экономики в основном состоит из специалистов, занятых теоретической частью исследования. Так, я по образованию физик, защищала диссертацию по специальности «радиофизика», и бо́льшая часть моих исследований носит фундаментальный характер. Но еще со студенческой скамьи мне было интересно заниматься какими-то прикладными вещами. Поэтому я стараюсь активно взаимодействовать с коллегами из смежных областей науки. Наибольший интерес для меня всегда представляла биофизика, и я имею уже достаточно большой опыт работы по этому направлению, в частности опыт взаимодействия с молекулярными биологами, биохимиками. В рамках данного проекта я вновь открываю для себя что-то новое, теперь в области клинической медицины и анализа данных. Мне это очень интересно.

Основной исполнитель от НИУ ВШЭ — Павел Владимирович Купцов, доктор физико-математических наук, то есть он имеет физическое образование, но при этом он также высококлассный программист и специалист по анализу данных. Павел Владимирович занимается разработкой методов расчета различных показателей для математических моделей и по временным рядам, которые могут использоваться как критерии для диагностики в медицине. Это одно из важных направлений проекта. За первый год им была разработана методика расчета показателя Ляпунова с оценкой погрешности вычислений. Данная проблема имеет свою историю. С помощью показателя Ляпунова можно обнаружить хаотическое поведение в системе, т.е. это колебания сигнала, которые не повторяются, период их равен бесконечности. В контексте сердечно-сосудистой системы существует дискуссионный вопрос, является ли сердечный ритм человеческого организма периодическим, хорошо это или плохо для него. Естественно, сердечный ритм не является строго периодическим, всегда имеют место флуктуации. Однако природа этих флуктуаций — вопрос открытый: является ли непериодичность результатом воздействия шумов или это внутреннее свойство самой системы? Для ответа на этот вопрос в рамках проекта были проведены исследования, которые показали, что в норме непериодичность — это внутреннее свойство самой сердечно-сосудистой системы. При возникновении некоторых заболеваний колебания сердечного ритма приближаются к периодическим, это сокращает вариабельность сердечного ритма. Т.е. при воздействии шумов, каких-то отклонений сердечный ритм за счет уменьшения вариабельности не может подстроиться, и это может приводить к его сбоям.

О.М. Посненкова и Н.В. Станкевич в НИИ кардиологии СГМУ им. В.И. Разумовского

Другой основной исполнитель от НИУ ВШЭ — профессор Сергей Владимирович Гонченко, представитель фундаментальной нижегородской математической школы. Сергей Владимирович является одним из первооткрывателей нового типа динамического хаоса, который на данный момент еще недостаточно широко исследован. В частности, не существует экспериментально подтвержденных примеров систем с такой динамикой. При этом в моделях такое поведение наблюдается в различных приложениях. В рамках нашего проекта мы планируем создать радиофизический генератор, который продемонстрирует такую динамику. На сегодняшний день уже создана схемотехническая модель такого генератора, и сейчас мы исследуем проблему влияния шумов на систему, которые обязательно будут в эксперименте. Соответственно, те методики, которые мы предложили для работы с шумами в сердечно-сосудистой системе, также будут применимы и в данной системе. И наоборот, те методы, которые будут разработаны для радиофизического генератора, будут применимы и к биофизическим системам.

Руководителем проекта со стороны СГМУ является доктор медицинских наук по специальности «кардиология» Ольга Михайловна Посненкова. Это человек с клиническим мышлением, совмещающий научную деятельность с работой врача-кардиолога, обладающий практическими знаниями в области лечения сердечно-сосудистой патологии и значительным опытом выполнения прикладных исследований в области кардиологии. Существует огромное количество различных факторов и правил (стандартов качественной клинической практики), которые необходимо соблюдать при сборе данных и учитывать при их анализе. Ольга Михайловна хорошо во всем этом разбирается, консультирует нас, а также непосредственно занимается сбором данных. Кроме того, мы совместно проводим фундаментальные исследования особых типов колебательной активности кардиомиоцитов, которые могут провоцировать различные нарушения сердечного ритма.

П.В. Купцов выступает на совместном научном семинаре

Еще один основной исполнитель проекта со стороны партнера — доктор физико-математических наук по специальности «математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» Анатолий Сергеевич Караваев. Анатолий Сергеевич является заведующим кафедрой динамического моделирования и биомедицинской инженерии и тесно сотрудничает с медицинскими организациями. У него как раз инженерное образование, а также опыт в создании программного обеспечения и медицинского оборудования. При этом он имеет большой опыт и в обработке данных биосигналов, а также занимается разработкой различных математических моделей сердечно-сосудистой системы человека.

Кроме того, мы привлекаем к проекту студентов и аспирантов, они вовлечены в организацию и проведение научных исследований.

В рамках реализации проекта мы организовали конференцию, которая, надеемся, станет в дальнейшем площадкой для обсуждения наших междисциплинарных исследований.

Конференция в нижегородской Выше

— На какой срок рассчитан ваш проект? Какие результаты и перспективы у проекта на сегодняшний день?

— Проект рассчитан на три года. На сегодняшний день завершился первый этап. За первый год мы уже получили довольно много так называемых результатов интеллектуальной деятельности, сейчас мы занимаемся их регистрацией. На втором этапе мы будем регистрировать базы данных с собранными биосигналами. К окончанию третьего этапа мы планируем разработать новые критерии для оценки периодичности сигнала, которые будут применимы к различным сигналам, обладающим собственной спецификой. В перспективе мы намерены попробовать выйти на коммерциализацию наших разработок. Конечно, здесь предстоит еще большая работа по созданию удобного программного обеспечения и т.п., но это было бы очень интересно.

22 апреля