Zakład Fizyki Biomedycznej

Opis Zakładu:

Wstęp

Jednym z największych wyzwań XXI wieku jest poznanie i zrozumienie działania najważniejszego narzędzia poznawczego, którego używamy od początku istnienia nauk: ludzkiego mózgu. Znaczenie neuroinformatyki jako nowej dziedziny, integrującej wiedzę i badania neuronauk wokół metodologii nauk fizycznych, podkreśla powstanie International Neuroinformatics Coordination Facility (http://incf.org), w której pracach Zakład Fizyki Biomedycznej bierze czynny udział. W wyniku analizy zapotrzebowania na kadry w tej dziedzinie, na Wydziale Fizyki UW otwieramy pierwsze na świecie studia licencjackie w tym zakresie. Kontynuujemy również tradycje pierwszej w Polsce fizyki medycznej - od roku 1974 nasi absolwenci są poszukiwani na rynku pracy dzięki solidnemu wykształceniu obejmującemu dozymetrię, radiodiagnostykę i radioterapię.

Główne kieruki badań

Jednym z głównych kierunków badań naukowych prowadzinych w naszym Zakładu jest analiza sygnałów biologicznych i modelowanie czynności elektrycznej mózgu. Rozwijamy modele i zaawansowane metody analizy szeregów czasowych, zwłaszcza związanych z systemem nerwowym (elektroencefalogramów EEG, magnetoencefalogeamów MEG, potencjałów wywołanych ERP, elektrokortykogramów ECoG, lokalnych potencjałów polowych LFP oraz emisji otoakustycznych u ludzi i zwierząt) dla celów naukowych i klinicznych. Badania prowadzone są we współpracy z wieloma ośrodkami badawczymi w kraju i za granicą; można tu wymienić Warszawski Uniwersytet Medyczny, Johns Hopkins School of Medicine, Harvard Medical School czy Uniwersytet w Amsterdamie.

Nowe tematy badań

Nowym tematem, rozwiniętym po raz pierwszy w Polsce w ciągu ostatnich dwóch lat, są interfejsy mózg-komputer (brain-computer interfaces, BCI). Systemy te są jedynym środkiem komunikacji z otoczeniem dla osób znajdujących się w tzw. stanie zamknięcia, jak autor książki Skafander i Motyl. Komputer odczytuje proste intencje na podstawie rejestrowanych z powierzchni głowy zapisów potencjałów mózgowych (EEG), i zamienia je na komendy sterujące urządzeniami zewnętrznymi lub umożliwia pisanie tekstów bez pośrednictwa klawiatury i mięśni ? wyłącznie za pomocą mózgu.

Dołączenie do czołówki światowej w zakresie BCI możliwe było dzięki najwyższemu poziomowi osiągnięć w analizie i modelowaniu zapisów czynności elektrycznej mózgu i innych biosygnałów. Są one przedmiotem badań, o celach zarówno czysto poznawczych jak i klinicznych, prowadzonych w Zakładzie od dziesięcioleci.

Aktualne projekty

Aktualnie realizowane projekty obejmują m.in. :

• lokalizację przestrzenną źródeł napadów epileptycznych na podstawie powierzchniowych zapisów EEG (tzw. problem odwrotny EEG ? we współpracy z Centrum Zdrowia Dziecka i Fraunhofer FIRST),
• korejestrację sygnałów EEG i fMRI we współpracy Cyclotron Research Centre w Liége dla badania stanów minimalnej świadomości,
• analizę sygnałów magnetoencefalograficznych (MEG) we współpracy z Leibniz Institute for Neurobiology,
• konstrukcję automatycznych systemów analizy snu, analizę emisji otoakustycznych (OAE),
• modelowanie czynności elektrycznej mózgu od poziomu pojedynczych synaps do modeli populacyjnych,
• rozwój metod matematycznych analizy sygnałów takich jak opracowana w Zakładzie metoda kierunkowej funkcji przejścia (DTF) estymująca przyczynowość Grangera (pojęcie wyrosłe na gruncie ekonofizyki) czy przybliżenia adaptacyjne realizujące suboptymalne rozwiązanie NP-trudnego problemu aproksymacji funkcji w redundantnych słownikach.
• Projekty neuroinformatyczne to np.:
  • oparty o XML metajęzyk opisu  struktury cyfrowych zapisów szeregów czasowych SignalML http://signalml.org,
  • pierwszy polski portal neuroinformatyczny http://eeg.pl,
  • pierwszy na świecie otwarty projekt w dziedzinie interfejsów mózg-komputer http://bci.fuw.edu.pl,
  • pierwszy na świecie otwarty system oznaczania, analizy i rejestracji EEG Svarog (Signal Viewer, Analyzer and Recorder On GPL).

Więcej informacji znajduje się w portalu Zakładu http://brain.fuw.edu.pl.

Dotychczasowe osiągnięcia

Wyniki naszych badań pozwalają na wyznaczanie źródeł czynności elektrycznej mózgu oraz dynamicznych wzorców propagacji sygnałów, co pozwala na wykrycie fizycznych korelatów procesów kontroli motorycznej i wyjaśnienie procesów przekazu informacji w mózgu zdrowym i w patologii.

Metody oparte na adaptacyjnej parametryzacji sygnałów w przestrzeni czas-częstość (algorytm dopasowania kroczącego), rozwijane w naszym Zakładzie, stanowią unikalne narzędzie dla analizy sygnałów w mikro- i makro-skali oraz pozwalają na unifikację tradycyjnej, klasycznej analizy EEG z zaawansowanymi metodami analizy sygnałów, co posiada istotne znaczenie dla zastosowań klinicznych i badawczych.

Modelowanie oscylacyjnej aktywności elektrycznej zespołów neuronów w stanach normalnych i patologicznych, szczególnie podczas padaczki, ma na celu zrozumienie podstawowych mechanizmów generacji napadów epileptycznych oraz opracowanie metod ich przewidywania i zatrzymania.