Bioinformatyka jest jedną w głównych specjalności Katedry Biofizyki w Instytucie Fizyki UMK. Wykorzystujemy narzędzia informatyczne do badania problemów nauk biologicznych, w szczególności do poszukiwania struktur, funkcji i ewolucji genów (genomika) oraz białek (proteomika). Uprawiamy głównie bioinformatykę strukturalną. Tworząc teoretyczne modele białek, badamy właściwości dynamiczne biopolimerów, w których ruch oddziałujących ze sobą pojedynczych atomów pozwala opisać właściwości układu składającego się nawet z miliona atomów. Podejście to nazywa się dynamiką molekularną. Metoda ta wykorzystuje specjalne algorytmy oraz obliczenia na potężnych klastrach obliczeniowych (tysiące procesorów i dziesiątki kart graficznych) do wyznaczenia dynamicznych właściwości biomolekuł w nano- lub mikro-sekundowych skalach. Na ich podstawie można badać np. efekty mutacji w białkach lub oddziaływanie leków z miejscem ich działania.
Jednym z zagadnień bioinformatycznych badanych na WFAiIS jest oddziaływanie małych fotoaktywnych cząsteczek z białkami. Pod wpływem światła cząsteczki mogą zmieniać kształt lub rozkład ładunków, a to może mieć ogromny wpływ na oddziałujące z molekułą białko. Rysunek obok ilustruje wpływ hipotetycznego leku przeciwcukrzycowego, aktywowanego światłem, na apomioglobinę. Badamy też wpływ tej molekuły na białka uczestniczące w uwalnianiu insuliny w trzustce.
Innym zagadnieniem studiowanym na WFAiIS jest białko hydrataza nitrylowa. Enzym ten katalizuje reakcją hydratacji toksycznych nitryli do bardzo użytecznych amidów. Stosując bioinformatyczne metody modelowania molekularnego modyfikujemy ten enzym poprawiając jego właściwości katalityczne. Teoretyczne przewidywania sprawdzane są potem w laboratorium, w ramach współpracy z Jiangnan University w Wuxi w Chinach.
Na WFAiIS rozwijamy nowe algorytmy bioinformatyki strukturalnej. Łącząc metody sztucznej inteligencji lub algorytmy memetyczne z metodami dynamiki molekularnej tworzymy nowe strategie obliczeniowe mające na celu przyspieszyć prowadzone dotąd obliczenia.
W Katedrze Informatyki Stosowanej na WFAiIS uprawiamy informatykę w zastosowaniu do rozmaitych dziedzin. W szczególności zajmujemy się:
- Komputerowym modelowaniem i symulacją układów fizjologicznych człowieka.
- Interakcją człowiek-komputer, w szczególności interakcją wzrokową (także w przypadku osób niepełnosprawnych ruchowo).
- Tworzeniem i badaniem gier terapeutycznych i treningów poznawczych.
- Meta-uczeniem w uczeniu maszynowym i sztucznych sieciach neuronowych.
- Poszukiwaniem i rozwojem nowych algorytmów uczenia maszynowego, głębokiego uczenia i sieci neuronowych. Optymalizacją złożoności obliczeniowej takich algorytmów.
- Analizą dużych zbiorów danych o złożonej strukturze i badaniem metod automatycznego wydobywania istotnych i interpretowalnych cech.
- Algorytmami przetwarzania i analizy sygnałów audio, wideo oraz ruchu stosowanymi w inteligentnych systemach analizy danych.
- Badaniem procesów mózgowych:
- Poszukiwaniem źródeł procesów poznawczych w mózgu za pomocą analizy danych elektrofizjologicznych z elektroencefalografii i magnetoencefalografii, oraz danych neuroobrazowych z funkcjonalnego rezonansu magnetycznego przy użyciu metod matematycznych i weryfikacji eksperymentalnej.
- Badaniem procesów neurodynamicznych zachodzących w mózgu za pomocą symulacji komputerowych i nieliniowych metod analizy danych elektrofizjologicznych. Rozwojem metod matematycznych służących do takich badań. Badaniem wpływu treningów na zmiany neuroplastyczne w mózgu przy wykorzystaniu modeli sieciowych w neuronaukach.
- Komputerowymi modelami zaburzeń neuropsychiatrycznych, rozwojem nowych metody diagnostycznych i neurofeedback w różnych zaburzeniach psychicznych. Wpływem treningów biofeedback opartych na zmienności rytmu serca i nowych metodach analizy EEG na dynamikę procesów uwagowych, myślenie dywergencyjne, kreatywność i inteligencję.
- Rozwojem słuchu fonematycznego i pamięci roboczej u niemowląt i dzieci, wpływem stymulacji na szybkość nabywania języka u dzieci z implantami słuchowymi.
- Spektralnym “odciskiem palca” stanu spoczynkowego obszarów ludzkiego mózgu w oparciu o atlasy anatomiczne i funkcjonalne.
- Wizualizacją i analizą wysokowymiarowych układów neurodynamicznych. Wytwarzaniem oprogramowania do analizy układów dynamicznych. Komputerowym modelowaniem funkcji poznawczych i fizjologicznych ludzkiego organizmu.
