Введение к работе
Актуальность темы.
В диссертации рассматриваются и решаются две актуальные проблемы биологии и медицины Первая связана с развитием моделей электрической активности мозга, регистрируемой в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ) Вторая проблема связана с разработкой алгоритмов и программ для решения задачи идентификации протеинов по аминокислотной последовательности, восстановленной из масс-спектра
Задача автоматического анализа сигнала ЭЭГ является актуальной как в медицинских и научно-исследовательских приложениях, так и благодаря интенсивно развивающемуся направлению в информатике - созданию так называемого интерфейса "мозг-компьютер" (Bram-Computer Interface, ВСІ) В медицинских приложениях локализация источников электрической активности применяется в диагностике и лечении эпилепсии При создании интерфейса "мозг-компьютер" на основе анализа ЭЭГ сигнала строится обратная связь, дающая человеку возможность управлять устройствами без применения мышечных усилий В качестве примеров приложений ВСІ можно привести создание системы круиз-контроля для автомобилей, а также системы распознавания образов, связанной непосредственно с мозгом человека
В нашей стране первые работы по математической обработке электроэнцефалографических данных проводились под руководством Е В Захарова Ведущими научными центрами Германии и США разработаны программы анализа ЭЭГ сигнала, такие как BESA, CURRY, BrainLoc Однако, несмотря на множество предложенных методов, все еще необходимы математические модели и методы, позволяющие определять изменяющиеся во времени источники электрической активности, а также идентифицировать появление новых активных зон, сигнализирующих о реакции мозга на некоторое событие
Изучение взаимодействия протеинов и процессов их модификации в организме человека позволит значительно ускорить диагностику различных болезненных состояний, а также помочь в разработке эффективных лекарственных средств Одним из основных методов, использующихся для
получения информации об аминокислотной последовательности протеинов, является масс-спектрометрия По масс-спектру может быть восстановлена последовательность протеина, но из-за несовершенства существующих моделей и алгоритмов восстановленные последовательности содержат ошибки Необходимы алгоритмы поиска, позволяющие идентифицировать протеины с учетом ошибок, вносимых алгоритмами восстановления
В настоящее время в мире существует несколько программ для идентификации протеинов по аминокислотной последовательности, восстановленной из масс-спектра, например SPIDER, CIDentify Однако результаты, выдаваемые этими программами требуют экспертной оценки для выбора ответа из множества предлагаемых Необходимы модели и алгоритмы для автоматического выделения единственного решения
Цель диссертации
Разработка метода решения прямой задачи ЭЭГ для реалистичной модели головы с учетом сильно различающихся проводимостей тканей, окружающих мозг
Разработка модели, позволяющей определять изменяющиеся во времени зоны активности нейронных источников
Разработка алгоритмов идентификации протеинов по аминокислотной последовательности восстановленной из масс-спектра, устойчивых к возможным модификацям протеинов и ошибкам, вносимым алгоритмами восстановления
Научная новизна и практическая ценность
1 Предложен и исследован метод решения прямой задачи ЭЭГ, позволяющий проводить расчеты электрического потенциала в реалистичной модели головы с учетом сильно различающихся проводимостей тканей головы Метод основан на использовании общего решения уравнения Лапласа в виде разложения в ряд по сферическим гармоникам Граничные условия и условия сшивки на границах проводимости удовлетворяются методом наименьших квадратов При этом сохраняется явная
аналитическая зависимость решения от пространственных координат, что позволяет строить удобную переходную функцию, связывающую нейронные источники и регистрируемый потенциал
На основе генетического алгоритма предложена модель, позволяющая определять изменяющиеся во времени зоны активности нейронных источников Показано, что данная модель позволяет определять как несколько активных зон, так и появление новых зон электрической активности в процессе временного развития ЭЭГ сигнала При этом число источников подбирается автоматически
Предложен алгоритм идентификации протеинов по аминокислотной последовательности, восстановленной из масс-спектра, основанный на приближенном поиске строк Алгоритм учитывает возможные модификации протеинов и типичные ошибки, вносимым алгоритмами восстановления Для получения единственного решения задачи предложена функция оценки результатов приближенного поиска Разработанная программа превышает по качеству поиска имеющиеся в мире программы
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на
53-й международной конференции американского общества по масс-спектрометрии (США, Сан Антонио, Техас, Июнь 2005),
54-й международной конференции американского общества по масс-спектрометрии (США, Сиэтл, Вашингтон, Июнь 2006),
семинаре студенческой исследовательской лаборатории Intel факультета ВМиК МГУ,
семинаре лаборатории нейроинформатики Siemens AG (Мюнхен, Германия),
научном семинаре кафедры автоматизации научных исследований под руководством зав кафедры чл -корр РАН Д П Костомарова
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-7]
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложения, содержащего рисунки Текст изложен на 130 страницах, диссертация содержит 28 рисунков Список литературы включает 120 наименований
