Масштаб пятилетки. Междисциплинарный грант позволяет вести поиск сразу в пяти направлениях.

Как объяснил директор ИППИ доктор физико-математических наук, профессор РАН Андрей Соболевский, исследования института охватывают проблемы передачи и обработки информации в технических и живых системах, распознавания образов и машинного обучения. Математики ИППИ создают цифровые технологии вместе с физиками, инженерами, физиологами, генетиками… Здесь научились справляться с извечной проблемой, которая встает на пути ученых, берущихся за совместное решение междисциплинарных задач: найти общий язык. Добиться, чтобы специалисты, глубоко погруженные каждый в свою область, поняли друг друга, – дело далеко не простое. Скажем, среди разработчиков беспилотников могут быть самые разные эксперты: по надежности летающей платформы, работе видеокамер, передаче снимков по каналам связи с Землей… И чтобы они просто могли общаться друг с другом, приходится тратить немало времени и сил. 

В комплексной программе, поддержанной грантом РНФ, специалисты ИППИ, представляющие разные направления науки, ведут работы по пяти направлениям: предсказательному моделированию, анализу данных в геномике, беспроводным сетям нового поколения, интеллектуальным автономным системам (например, беспилотным аппаратам), а также математике и физике сложных систем. За каждое из них отвечает одна-две лаборатории, всего их более десятка, а число участников составляет немногим меньше 200 человек. Помимо сотрудников института, это студенты ведущих университетов: МГУ (факультет биоинженерии и биоинформатики), МФТИ (факультеты управления и прикладной математики, а также радиотехники и кибернетики), НИУ ВШЭ (факультет компьютерных наук) и Сколковского института науки и технологий. Так что в ближайшие годы институт значительно обновится и помолодеет, поскольку в его ряды вливается университетская молодежь.

Ей есть чем удивить “старших по званию”. Как рассказал заместитель директора института кандидат физико-математических наук Дмитрий Николаев, руководитель направления гранта по разработке интеллектуальных автономных систем, аспирант ИППИ написал кандидатскую диссертацию на неожиданную тему: поведение роботов в “стае”. Подобно муравью, каждый робот выполняет собственное задание, обследуя окружающую территорию, при этом вся “стая” практически не обменивается информацией. Вопрос, на который искал ответ автор диссертации: как добиться эффективной работы системы, в которой роботы разобщены? Ведь отсутствие связи увеличивает защищенность системы от помех и попыток ее взломать. Тема диссертации кажется несколько фантастической, но, как знать, не станет ли разработка подобных систем актуальной в самые ближайшие годы!

Амбициозный проект РНФ предусматривает создание организации-лидера – мультидисциплинарного научного центра, в котором биологи сотрудничают с математиками, а генетики с физиками. Объединенная общими целями команда решает сложные комплексные задачи. Например, разработка систем связи при помощи передачи радиоволн через тропосферу. В подобном виде связи нуждаются самые разные пользователи на Крайнем Севере: рабочие нефте- и газопромыслов, военные, моряки… Сложность в том, что тропосфера испытывает на себе все “прелести” турбулентности, которая мешает не только полету самолетов, но и передаче радиосигналов. Чтобы нейтрализовать ее, ученые строят модели возникающих помех, используя саму физику турбулентности. Еще одна задача, стоящая перед институтом, – создание так называемого умного транспорта, в частности беспилотных автобусов. Они должны четко следовать по маршруту, а для этого требуется наделить их подобным биологическому компьютерным зрением. Так на деле осуществляется главная идея гранта РНФ – интеграция целого ряда направлений науки. 

Вот некоторые проекты, над которыми работает мультидисциплинарный коллектив института. Георгий Базыкин, заведующий сектором молекулярной эволюции ИППИ, кандидат биологических наук (ВАК присудил ему степень, признав его диссертацию доктора философии, защищенную в Принстоне), руководитель направления гранта по анализу данных в геномике, объясняет: 

– Мы решаем сразу несколько задач. Расскажу о медицинской. При некоторых онкологических заболеваниях медикам трудно бывает различать опухоли похожих типов. А это важно, поскольку при разных поражениях одних и тех же органов иногда требуются разные методы лечения. Известно, что образование и рост опухоли сопровождаются ускоренным накоплением мутаций. В последнее время стало ясно, что их скорость и тип зависят от характера исходной “поломки”, возникшей в ткани органа. 

Ученые по всему миру собрали гигантские банки данных последовательностей ДНК из опухолевых тканей. Сравнивая их, они стремятся узнать, какие мутации в них произошли, какие генетические изменения приводили к разным типам раковых заболеваний. Но нельзя ли использовать эти данные как-то еще? Молодые сотрудники нашей группы, сравнивая друг с другом разные опухоли похожих типов, стараются найти различия в их мутационных спектрах, то есть относительных частотах разных мутаций. Оказывается, что такой спектр нередко позволяет довольно точно определить, какая именно опухоль у пациента, какими были биологические и биохимические механизмы ее образования. 

Возникает красивая математическая задача. Есть много разных типов опухолей, каждая из которых ускоряет накопление мутаций, но приводят они к несколько отличающимся мутационным спектрам. Если с помощью математиков эти данные аккуратно разложить “по полочкам”, можно будет точнее классифицировать опасные образования. Этот принципиально новый подход в исследовании раковых опухолей стал возможным только в последние два-три года, когда удалось получить огромные объемы соответствующих генетических данных. 

Следующий проект – биомедицинский. Гриппом, кто часто, кто редко, болеют едва ли не все. Хотя от него есть неплохая защита – вакцины. Однако проблема в том, что отбирают вакцины для производства в марте, а применять начинают в начале зимы. И врачи должны угадать, от каких разновидностей гриппа их вакцина должна будет защищать население, учитывая, что неизвестно, в какую сторону за несколько месяцев “повернет” вирус в ходе своей эволюции. Выходит, эффективность вакцины зависит от везения: попадут медики в точку, угадают, какие вирусы сильнее всего распространятся за эти полгода, или нет? Даже в те редкие годы, когда “попадание” не идеально, прививки все равно дают частичную защиту. Но хотелось бы сделать ее полной.

Мы изучаем накопленную за долгие годы статистику по эволюции вируса гриппа и при поддержке математиков, строящих модели этого движения, стараемся предсказать, какой вариант вируса будет представлять наибольшую опасность на этот раз. Невольно мы стали участниками соревнования среди нескольких наиболее продвинутых лабораторий мира, пытающихся доказать, что их способ предсказаний самый точный. Наш метод отличается от других, поскольку использует информацию о взаимодействии различных мутаций вируса друг с другом. Мы считаем, что таким путем повышаем точность предсказаний. Эти исследования наша группа ведет вместе с другими подразделениями ИППИ РАН.

Задача предсказания будущей эволюции важна и для работы с вирусами других опасных заболеваний, например СПИДа. Его вирус быстро эволюционирует, накапливает мутации, делающие его устойчивым к лекарствам. Но этот процесс предсказуем. Чтобы сделать терапию СПИДа более эффективной, необходимо понять, как образование этих мутаций предотвратить или хотя бы замедлить. 

За время действия гранта, а это практически два года, сотрудники института опубликовали более 280 статей, из них около 180 в топовых журналах, индексируемых в системе Web of Science. Раз в год институт приобретает новое оборудование – лабораторные комплексы, стоимость которых исчисляется десятками миллионов рублей.

Что ИППИ планирует сделать за два оставшихся года действия гранта? 

– Срок невелик, а нам предстоит решить несколько задач разной степени сложности, – подводит итог Андрей Соболевский. – Главное – отладить систему передачи результатов наших исследований индустрии. Цель трудная, но, считаю, достижимая. Ведь фонд предоставил институту средства на пять лет, дальше мы должны развиваться сами, а для этого необходимо заинтересовать нашими разработками и исследованиями высокотехнологичные компании разного профиля. Их достаточно много, и спрос на наши проекты, думаю, будет. Одна из фирм, скажем, нуждается в эффективных методах обработки фотографий, сделанных со спутников. На современных производствах востребованы методы мониторинга технологических процессов на крупных промышленных установках. Углубленный анализ данных, получаемых от всевозможных датчиков, поможет предотвратить аварии и выпуск бракованной продукции или несанкционированный доступ рабочих в опасные зоны. Компании понимают: чтобы развиваться дальше, им необходимо использовать самые совершенные цифровые технологии. Поэтому, уверен, мы сможем выполнить запросы индустрии.