Profesor zwyczajny, kierownik Laboratorium Neurokognitywnego w Interdyscyplinarnym Centrum Nowoczesnych Technologii i zespołu Neuroinformatics and Artificial Intelligence w University Centre of Excellence Dynamics, Mathematical Analysis and Artificial Intelligence. Pracownik Katedry Informatyki Stosowanej na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Pracował też na Wydziale Inżynierii Komputerowej (School of Computer Engineering) Uniwersytetu Technologiczego Nanyang (Nanyang Technological University) w Singapurze jako Nanyang Visiting Professor i visiting professor (2003–2012).
Ukończył studia fizyki teoretycznej (1977), obronił doktorat z chemii kwantowej (1980), zrobił habilitację z matematyki stosowanej (1987), a po doktoracie pracował na Uniwersytecie Południowej Kalifornii (University of Southern California) w Los Angeles (1980–1982). Później pracował m.in. w Instytucie Astrofizyki Max-Plancka w Monachium (1984–2001), Instytucie Technologicznym Kyushu (Kyushu Institute of Technology), Uniwersytetach Tokyo, Rikkyo i Meiji (Japonia), na Uniwersytecie Florydy (Gainsville, USA), Uniwersytecie Alberty w Edmonton (Kanada) oraz kilku innych instytucjach. W latach 2012–2014 pełnił funkcję Prorektora ds. Badań Naukowych i Informatyzacji UMK, a od kwietnia 2014 do grudnia 2015 wiceministra (podsekretarza stanu) w Ministerstwie Nauki i Szkolnictwa Wyższego.
Członek rad wydawniczych 16 międzynarodowych czasopism naukowych. Współzałożyciel wielu towarzystw naukowych (fizyki komputerowej, sieci neuronowych, kognitywistyki, sztucznej inteligencji) i czasopism związanych z tymi dyscyplinami nauki. Przez dwie kadencje zajmował stanowisko prezesa Europejskiego Towarzystwa Sieci Neuronowych (European Neural Networks Society, 2006–2008–2011), a w 2013 roku został wybrany na Fellow of the International Neural Networks Society. Czynny członek komitetu technicznego IEEE CIS, ekspert programów naukowych Unii Europejskiej, a także członek Komisji Układów Złożonych Polskiej Akademii Umiejętności.
Opublikował ponad 375 artykułów naukowych i 290 popularnonaukowych, napisał sześć książek, a 21 współredagował. Jego firma DuchSoft stworzyła oprogramowanie GhostMiner, którego sprzedażą zajmuje się firma Fujitsu.
Jego głównymi obszarami zainteresowań naukowych była początkowo fizyka komputerowa i molekularna (1977–1990), a potem (1990–2012) inteligencja obliczeniowa (Computational Intelligence), w tym metody pozwalające na zrozumienie struktur danych, ogólna teoria inteligencji komputerowej oparta na ocenie podobieństwa i składaniu transformacji oraz meta-uczeniu, które automatycznie znajduje najlepszy model dla danego zbioru danych; informatyka neurokognitywna, czyli algorytmy inspirowane sposobem funkcjonowania mózgu na wielu poziomach; architektury kognitywne; neurodynamiczne modele chorób psychicznych integrujące poziom genetyczny, molekularny i behawioralny, a także modele pozwalające na wizualizację zdarzeń mentalnych. Ma też na koncie kilka publikacji z filozofii umysłu. Od 2013 roku skupia się na rozwoju Laboratorium Neurokognitywnego na UMK, a w nim na badaniach teoretycznych i eksperymentalnych procesach poznawczych, z kolei od 2020 roku kieruje zespołem Neuroinformatyka i Sztuczna Inteligencja w ramach Uniwersyteckiego Centrum Doskonałości „Dynamika, analiza matematyczna i sztuczna inteligencja”.
Poprzez szerokie doświadczenie w wielu dziedzinach nauki oraz zrozumienie różnych kultur stara się zbliżać do siebie różne społeczności naukowe.