«Электронный нос» из ЮФУ: ученые создали биогибридный детектор запахов
«РБК ЮГ и Северный Кавказ» совместно с Южным федеральным университетом (ЮФУ) продолжает рассказывать о перспективных разработках ученых в специальном проекте «PROнаука». Новым героем интервью стал кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко.
— Одним из главных проектов центра сегодня является создание биогибридных систем, способных детектировать содержание различных веществ в почве или воздухе по запаху. Насколько перспективна эта технология?
— В НИТЦ нейротехнологий ЮФУ при поддержке «Фонда перспективных исследований» мы разработали так называемый «электронный нос». Область его применения различна: обеспечение безопасности государства, поиск различных опасных веществ, применение в пищевой промышленности для детекции, использование в скрининге социально значимых заболеваний, таких как сахарный диабет, онкология.
— Как устроен этот механизм? Почему его называют «электронным носом»?
— В 2003 году была получена Нобелевская премия за раскрытие механизмов кодирования ольфакторной информации. Оказалось, что в мозге всех млекопитающих есть обонятельная луковица, куда приходит информация от рецепторных нейронов носовой полости. Например, крыса чувствует запах банана, потому что с него испаряется 16 легких органических соединений, попадающих на ее обонятельные рецепторы. Они озбуждают луковицу, формируя некий рисунок активности этой части мозга, который можно зарегистрировать с помощью различных методов нейроимиджинга или с помощью микроэлектродов.
— Как это открытие повлияло на вашу работу?
— Оно легло в основу наших разработок по созданию биогибридных технологий. Мы имплантировали малоинвазивным способом тончайшие микроэлектроды в обонятельную луковицу крысы и регистрировали ее активность при контакте животного с различными веществами. Также у нас происходило обучение нашего математического аппарата, который работает на базе нейросетевых классификаторов.
Мы предъявляли банан крысе, она его нюхала, возникал определенный рисунок активности в обонятельной луковице. Мы фиксировали его с помощью электродов и сохраняли эти данные для нейросетевого классификатора. В следующий раз, когда в слепом эксперименте мы давали крысе фрукт, классификатор сравнивал рисунок с эталонным образцом и сигнализировал о том, что животное почуяло банан.
Уникальный компонент системы
— Почему для этой технологии были привлечены именно крысы?
— Крысы относятся к макросматикам, как собаки и слоны. Это животные, обладающие сверхчувствительностью или условно увеличенной чувствительностью по отношению к людям. У них в носовой полости большое количество типов рецепторов — до 2 тыс., тогда как у человека их буквально несколько сотен. Поэтому крысы могут различать огромное количество различных одорантов.
Также нашей системе, которая фактически является переносным прибором, нужно было небольшое животное. Поэтому мы используем серых доместицированных крыс — это так называемые одомашненные крысы. Обонятельная система белых лабораторных крыс в ходе искусственного отбора утратила свою эффективность. А вот у серых крыс, которые приближены к диким животным, чувствительность обонятельной системы сохраняется в первозданном виде.
— Каковы этические аспекты использования животных в научных разработках?
— Все наши исследования проводятся с согласия этической комиссии ЮФУ. Большой опыт работы с животными позволяет нам очень гуманно обращаться с ними. Мы используем малоинвазивные способы имплантации микроэлектродов, поэтому срок жизни крысы в лаборатории такой же, как и в естественной среде обитания.
— На протяжении какого времени ведется работа по данному проекту?
— Разработки ведутся в течение 3-4 лет. Были созданы макетные образцы данных биогибридных систем, которые прошли определенные апробации. Часть апробаций была связана с поиском различных опасных веществ. Часть исследований была проведена в интересах медицины, в частности скрининга социально значимых заболеваний. Были выявлены люди с риском онкологических заболеваний, после чего у них данные диагнозы были подтверждены.
Биогибридные системы поставят в аэропорты
— Каким будет следующий этап развития данного проекта? Какие цели научный коллектив ставит в этом направлении в 2024 году?
— В той системе, которая апробировалась, наши животные находятся в наркотизированном, сноподобном состоянии в течение нескольких часов, чтобы исключить влияние внешних факторов. Математический аппарат в это время стабильно работает, и мы получаем результаты с высоким качеством разрешения.
Сейчас наши усилия направлены на то, чтобы данная система работала в режиме 24/7: когда животное спит, передвигается, ест. Тогда мы сможем получать качественный результат не только в определенный небольшой промежуток времени, но и круглосуточно, что кардинально изменит применимость данной технологии.
— Какие-либо коммерческие компании уже заинтересовались этой разработкой?
— Мы планируем внедрение данной технологии в аэропортах, в зоне досмотра. На данный момент такие переговоры ведутся. Для полной коммерциализации технологии ключевым условием является ее работоспособность в режиме 24/7. Я думаю, что в течение нескольких лет мы реализуем данную технологию в таком режиме эксплуатации и сможем поставить системы заинтересованным партнерам.
Приоритет отечественной науки
— Существуют ли сегодня в мире аналоги биогибридной системы, которую разрабатывают в НИТЦ нейротехнологий?
— Да, подобные исследования ведутся и нашими китайскими коллегами, и в недружественных странах. Но только в ЮФУ существует такой центр, где сосредоточены не только физиологи, но и мощный математический аппарат, инженерный состав. Только мы фактически создаем систему, которая способна функционировать в полевых условиях, приближенных к реальности.
— Проект по разработке биогибридных систем ведется в рамках программы «Приоритет-2030». Можете ли вы оценить, какую роль играет эта программа в развитии новейших технологий на юге России?
— «Приоритет-2030» позволяет развивать фундаментальную науку. То есть в нашей системе, например, для реализации проекта вы должны понимать принципы функционирования мозга, работу математических моделей и так далее. Все это позволяет реализовывать «Приоритет-2030» в рамках поддержки исследований фундаментального характера. Это мощный инструмент поддержки научных школ, которой и является НИТЦ нейротехнологий ЮФУ.
