Нейросетевое отображение как метод создания математических моделей

Ученые НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде и Белградского института физики (Сербия) совместно изучают возможности применения методов машинного обучения и использования нейросетей в исследованиях нелинейной динамики. О международном проекте «Вышке.Главное» рассказала его руководитель от ВШЭ, ведущий научный сотрудник Лаборатории топологических методов в динамике факультета информатики, математики и компьютерных наук НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде Наталия Станкевич.
Марина Литвинцева, директор по перспективным научным исследованиям НИУ ВШЭ
«Проект “Машинное обучение и нелинейная динамика: пересечение, взаимодействие и синтез” стал одним из победителей второго конкурса совместных научных проектов “Международное академическое сотрудничество НИУ ВШЭ” в 2025 году. Это совместный проект Лаборатории топологических методов в динамике НИУ ВШЭ — Нижний Новгород и научно-вычислительной лаборатории Белградского института физики».
Разработанные российскими и сербскими математиками и физиками теории позволяют выявить особенности динамических систем, дают возможность построить модели, способствующие развитию регенеративных технологий для лечения сложных кардиологических заболеваний.
Наталия Станкевич
— Расскажите, как рождался и развивался проект.
— В апреле 2025 года лаборатория совместно с Белградским институтом физики, входящим в структуру Белградского университета и Национального исследовательского института, выиграла конкурс в рамках проекта НИУ ВШЭ «Международное академическое сотрудничество», представив проект «Машинное обучение и нелинейная динамика: пересечение, взаимодействие и синтез». Его реализация началась летом того же года.
— Почему вы решили объединить усилия с сербскими коллегами?
— У нас накоплен большой опыт взаимодействия с коллегами из Белграда, начинающийся с 2015 года, когда сотрудник нашей лаборатории Владимир Клиньшов познакомился с Игорем Франовичем. У них сразу возникло множество идей для сотрудничества, которые они развивали все это время и подготовили более 10 совместных статей. В лаборатории компьютерных научных вычислений Игорь с командой активно исследуют системы с шумами, влияющими на работу динамических систем, и нам крайне важна их экспертиза в этом направлении. Мы решили объединить наши усилия.
— Каковы ключевые направления ваших исследований?
— Мы концентрируемся на изучении методов машинного обучения, динамических систем различной природы и сложных явлений в них с помощью теории динамических систем, а также методами машинного обучения.
В 2020 году совместно с Павлом Купцовым мы начали развивать направление, связанное с применением методов машинного обучения для создания математических моделей в виде динамических систем. Мы назвали такие системы нейросетевыми отображениями. Одна из центральных задач проекта — это изучение свойств нейросетевых отображений.
Нейросетевое отображение — динамическая система, представляющая собой сеть искусственных нейронов достаточно простой архитектуры, обученная на данных генерируемых системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Данный подход впервые был предложен в работе Kuptsov P. V., Kuptsova A. V., Stankevich N. V., Artificial Neural Network as a Universal Model of Nonlinear Dynamical Systems Rus. J. Nonlin. Dyn., 17, 2021, №1, 5-21. Авторами исследования была реализована простейшая архитектура нейронной сети в виде двух персептронов, и было показано, что такой подход позволяет получить нейросетевое отображение, успешно воспроизводящее динамику эталонных моделей нелинейной динамики, таких как система Лоренца, система Ресслера, система Хиндмарша-Роуза. В работе Kuptsov P.V., Stankevich N.V., Bagautdinova E.R. Discovering dynamical features of Hodgkin-Huxley-type model of physiological neuron using artificial neural network. Chaos, Solitons & Fractals 167, 2023, С. 113027. данный метод был модифицирован для модели физиологического нейрона, базирующегося на формализме Ходжкина-Хаксли. Модели нейронов представляют собой так называемые быстро-медленные системы, то есть имеют два сильно различных временных масштаба. И простейшая архитектура нейронной сети не позволяет получить в таком случае хорошую модель машинного обучения. Небольшое усложнение архитектуры позволяет решить эту проблему.
— Это больше фундаментальная наука или прикладные исследования?
— В рамках проекта мы сконцентрированы на фундаментальной науке. До того момента, когда исследовательский коллектив решает заниматься прикладными задачами, ему нужно иметь проверенные методы. Мы решили целенаправленно исследовать инструментальные свойства получаемых нами нейросетевых моделей, изучить границы применимости метода, а также посмотреть, насколько нейросетевое отображение на этапе обучения «впитывает в себя» нелинейные свойства динамических систем и способно ли воспроизводить нелинейные эффекты.
— Чего удается достичь?
— Одной из задач первого года реализации нашего проекта было исследование простейшей бистабильности в нейросетевых отображениях. Бистабильность — широко распространенное явление в различных системах, заключающееся в сосуществовании нескольких объектов в фазовом пространстве динамической системы, на которые мы можем прийти из различных начальных условий. Примеры визуализации бистабильности, которые все встречали, — это двойственные изображения, когда в зависимости от угла наклона, расстояния до изображения или других параметров мы наблюдаем различные картины.
В рамках проекта мы исследовали модели простейших радиофизических генераторов — осцилляторы типа ван дер Поля, в которых могут сосуществовать режимы устойчивых автоколебаний и устойчивого состояния равновесия. Мы выбрали три типа осцилляторов: классический, в котором нет бистабильности, но происходит бифуркация Андронова — Хопфа, в результате которой в системе состояние равновесия теряет устойчивость и рождаются периодические автоколебания; и две модификации, в которых возможна субкритическая бифуркация Андронова — Хопфа, в ней появляется область в пространстве параметров, тогда будет наблюдаться сосуществование устойчивого состояния равновесия и устойчивых автоколебаний. Для всех трех осцилляторов мы обучили нейросетевые отображения, позволившие воспроизвести наблюдаемые в моделях динамические режимы, и в том числе области бистабильности.
Одним из центральных вопросов, на который мы хотели получить ответ, был вопрос воспроизводимости бистабильных состояний нейросетевым отображением в зависимости от набора данных, которые мы предъявляем на этапе обучения нейронной сети. Если на этапе обучения показать нейронной сети все возможные в системе состояния, то, естественно, она с легкостью их все воспроизведет. Мы же сформировали несколько датасетов для обучения таким образом, что не показываем нейронной сети конечные состояния. В случае если мы показываем небольшие кусочки траекторий, но по всему фазовому пространству, нейросетевое отображение также легко справляется с задачей воспроизведения всей динамики системы. Далее мы смоделировали более сложные ситуации, где выкинули из данных для обучения область фазового пространства, в нем находится один из сосуществующих аттракторов. В такой ситуации нейросетевое отображение справилось хуже. Но если вычищать данные не так жестко, то динамика воспроизводится точнее, и модель машинного обучения находит второй аттрактор, что позволяет затем исследовать уже бифуркации ко-размерности 2, причем модель машинного обучения воспроизводит и этот вариант.
По данным результатам мы подготовили статью, принятую 1 мая в журнал Chaos, который входит в список А. Сейчас мы проводим подобное исследование для аналогичной с точки зрения математики динамической системы, но соответствующей модели типа Ходжкина — Хаксли.
— Есть ли в ваших работах результаты, имеющие прикладное значение?
— У лаборатории есть проекты с более выраженными прикладными задачами. Мы стараемся применить то, что находим в фундаментальных разработках. И всегда активно взаимодействуем с коллегами, фокусирующимися на прикладных задачах, чтобы понять, где можно приложить наши теоретические открытия.
Например, одна из задач проекта, касающаяся нейросетевых отображений, заключается в исследовании способности демонстрировать явление синхронизации нейросетевыми отображениями. Классическое явление синхронизации состоит в подстройке частот взаимодействующих автоколебательных систем. Если мы возьмем два автоколебательных осциллятора с немного отличающимися частотами и создадим некоторую связь между ними, то при вариации силы связи можно добиться установления автоколебаний в системах на общей частоте. И в рамках проекта мы планируем исследовать, способны ли на такое поведение нейросетевые отображения.

Такая задача представляется привлекательной для получения цифровых двойников электрической активности клеток. Надо понимать, что синхронизация широко распространена в разных областях. Организм живых существ наполнен различными колебательными процессами на разных временных масштабах. Ну и классический ритм, ощущаемый всеми нами, — это ритм сокращения сердечной мышцы, представляющий собой согласованную колебательную активность клеток сердечной ткани — кардиомиоцитов. При некоторых заболеваниях сердечно-сосудистой системы кардиомиоциты гибнут и их замещает непроводящая ткань, так называемые фибробласты, что может приводить к серьезным нарушениям работы сердца. Сейчас развиваются регенеративные технологии с использованием стволовых клеток, которые могли бы заменить такие непроводящие участки. Важным вопросом для развития таких технологий является возможность выращенных клеток работать синхронно с остальными. Мы думаем, что в перспективе мы сможем получать нейросетевые отображения с экспериментальных данных и, соответственно, моделировать взаимодействие разных клеток и изучать возможность их синхронной работы.
Мы активно интересуемся различными прикладными направлениями, где могли бы применить наши методы. И одна из стратегий поиска приложений — участие в конференциях, где есть фокус на приложения. Летом небольшая группа исполнителей проекта планирует принять участие в конференции Biomedical Data Science Conference в Будапеште, где представит результаты своих работ, а также сможет узнать о передовых разработках в области биологических и медицинских исследований с использованием больших объемов данных. Надеемся, что сможем на конференции найти интересные приложения и сформулировать новые задачи.
Вам также может быть интересно:
Связь будущего: какие технологии 6G разрабатывают в ВШЭ
Связь шестого поколения 6G потребует новых устройств и технологий, и команда разработчиков НИУ ВШЭ трудится над решениями в области микроэлектроники и фотоники в рамках стратегического технологического проекта ВШЭ «Комплекс технологий доверенных систем связи 6G». В 2026 году исследователи создали модели и макеты устройств, проверили их характеристики экспериментально и договорились с индустриальными партнерами о форматах сотрудничества. Как разработки могут выйти за пределы лаборатории, «Вышке.Главное» рассказал координатор проекта, доцент департамента электронной инженерии МИЭМ ВШЭ Александр Шураков.
На Школе ФКН ВШЭ по искусственному интеллекту учителя погрузились в анализ данных и машинное обучение
С 6 по 10 октября факультет компьютерных наук (ФКН) Высшей школы экономики организовал первую Школу по искусственному интеллекту для учителей информатики и математики . Ее участниками стали 72 педагога из разных регионов России. Обучение по трем направлениям проходило в течение пяти дней в университетском учебном центре «Вороново».
В МИЭМ ВШЭ будет создан Центр коллективного пользования «Компонент»
Центр коллективного пользования (ЦКП) станет единой экспериментальной и сервисной площадкой, которая обеспечит полный технологический цикл работы с электронной компонентной базой (ЭКБ), от измерений и испытаний до построения верифицированных моделей для систем автоматизированного проектирования (САПР). Проект МИЭМ ВШЭ по созданию «Компонента» вошел в число победителей конкурса Министерства науки и высшего образования РФ в рамках программы создания и развития центра коллективного пользования научным и технологическим оборудованием по приоритетным направлениям научно-технологического развития.
iFORA на «Цифровых днях Иннополиса»: Вышка представила ИИ-решение для сферы науки, технологий и инноваций
Высшая школа экономики стала участником форума «Цифровые дни Иннополиса», который 8–9 октября прошел в Университете Иннополис. На стенде вице-премьеру Дмитрию Чернышенко было представлено ИИ-решение для сферы науки, технологий и инноваций, созданное в рамках программы Центра искусственного интеллекта НИУ ВШЭ. Кроме того, директор Центра стратегической аналитики и больших данных ИСИЭЗ НИУ ВШЭ Константин Вишневский принял участие в стратегической сессии «ИИ в науке» и провел сессию о цифровых сервисах для коммерциализации научных разработок.
ИИ будет предсказывать поломки промышленного оборудования до аварии
Институт искусственного интеллекта и цифровых наук ФКН НИУ ВШЭ представил мультиагентный программно-аппаратный комплекс, который анализирует электрические параметры промышленного оборудования и помогает заранее выявлять признаки неисправностей. Разработка призвана перевести техническое обслуживание от ремонта после отказа к прогнозированию состояния оборудования и планированию работ до возникновения аварийной ситуации. Система была представлена в рамках IV профессиональной конференции для ИТ и инженерного cообщества в нефтегазовой отрасли.
Команда ВШЭ победила в технологическом конкурсе «Автономный поиск» для отряда «ЛизаАлерт»
Навигационная система, разработанная специалистами Лаборатории интеллектуальных беспилотных систем (ЛИБС) МИЭМ ВШЭ, предназначена для поиска людей и позволяет беспилотному аппарату автономно выполнять маршрутные задания без спутниковой навигации. Уникальность конкурса «Автономный поиск» — в комплексной проверке реально работающих технологий. Из 50 поданных заявок до квалификации допустили 15, в финал вышли четыре команды.
МТС и MAGNIT TECH стали индустриальными партнерами ФКН ВШЭ в рамках проекта «Топ-ИИ» Минцифры
Цель партнерства — объединить фундаментальную академическую базу факультета с актуальными задачами бизнеса. Благодаря проекту «Топ-ИИ» при поддержке гранта Минцифры России (при участии АНО «Аналитический центр при Правительстве Российской Федерации») и прямому участию лидеров индустрии студенты ФКН уже во время учебы включаются в разработку передовых технологий и выходят на рынок готовыми специалистами высокой квалификации по ключевым направлениям: генеративный искусственный интеллект, высоконагруженная инфраструктура, инженерия данных и машинное обучение в ритейле.
Лев Толстой и спецификации, контрапункт и инклюзивность ИИ: в НИУ ВШЭ обсудили вайбкодинг
В НИУ ВШЭ прошла первая международная конференция по вайбкодингу VIBE CODING RUSSIA 2026. Более 450 ее участников, спикеров из университетов, банков, телекома, кибербезопасности и самих вайбкодеров, обсудили, как ИИ сокращает путь от научного результата к продукту и кто отвечает за код, который пишет алгоритм.
Проект НИУ ВШЭ CheckAI победил на престижной премии BISA
НИУ ВШЭ укрепляет лидерские позиции в сфере отечественной кибернетической безопасности и искусственного интеллекта. Проект Вышки CheckAI под руководством Антона Сергеева, директора Центра программных разработок и цифровых сервисов МИЭМ ВШЭ, одержал победу на престижной профессиональной премии BISA «За вклад в безопасность цифрового будущего». Инновационная разработка была признана лучшей в номинации «Лучший проект — сервисы цифрового будущего».
В НИУ ВШЭ стартуют 11 исследовательских проектов с участием научных центров из пяти стран
Высшая школа экономики подвела итоги Конкурса совместных фундаментальных научных проектов «Международное академическое сотрудничество». Полностью поддержано пять проектов, еще шесть получили сокращенное финансирование. Исследовательские команды сформированы с участием учёных из Бразилии, ЮАР, Китая, Индии и Омана. Подробностями о победителях МАС 2026 поделился Александр Балышев, проректор НИУ ВШЭ.


