Самый быстрый материал и «чтение» мозга. Девушка из Лунинца занимается наукой в Стэнфорде и Оксфорде

«Оксфорд — удивительное место, где все находят свой смысл жизни», — говорит Виктория Шевцова. В поисках предназначения, она поступила сначала в БГУ, затем в Имперский колледж Лондона, потом в Оксфорд и, в конце концов — в Стэнфорд. Там она уже год создаёт приборы для «чтения» мозга на уровне клеток. Звучит как киберпанк, но такие разработки должны помочь связать человека и компьютер. dev.by поговорил с Викторией о нейронауке, создании квантовых гаджетов и этике.

Виктория родилась в Лунинце. В лицее размышляла, что ей «делать со своей жизнью». Нравилась физика, но для страховки решила стать программистом — поступила на факультет радиофизики и электроники БГУ. На четвертом курсе встретила «замечательного преподавателя — Петра Ивановича Гайдука» и вместе с ним стала работать в исследовательской лаборатории по вопросам нано- и микроэлектроники. Там поняла окончательно, что айти хорошо, но наука интереснее.

По теме плазмоники Виктория подалась на исследовательские позиции в Голландии, Великобритании и Австралии — и прошла в Имперский колледж Лондона. Этот «колледж» — университет для технарей на уровне MIT. Занимает 4-е место в Великобритании и 20-е в мире.

«Мы были в числе первых, кто стал изучать один из самых быстрых материалов на Земле»

В Лондоне Викторию поставили на «очень свеженькую тему» — графен — один из самых «быстрых» материалов на Земле (его свойства на тот момент только-только открыли).

Графен — двумерный материал, форма углерода толщиной всего в один атом. С его появлением в развитии медицинских технологий и биоэлектроники начался новый этап. Сейчас графен применяется, например, для создания электронных чипов, сенсоров, которые определяют биомаркеры онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний, мембран для очищения воды и т. д. Ещё на его базе можно делать нейродевайсы, которые считывают активность нейронов. Например, искусственную сетчатку, которая будет более удобной и менее токсичной для организма

Так как графен обладает большей гибкостью, чем, например, кремний, из него можно создать устройства для имплантации в мозг. Но пока это — на уровне лабораторных экспериментов.

Для света наш волос ничего не значит. А мы работали с материалами, которые в миллион раз тоньше волоса. И вот как заставить световую волну почувствовать, что этот материал вообще существует?

С наноструктурами это возможно, потому что у них другие свойства — они взаимодействуют со световой волной через собственные механизмы. Мы были одной из первых исследовательских групп, которые в принципе попробовали это взаимодействие устроить и посмотреть, что будет происходить, если мы сфокусируем свет на этих маленьких объёмах и попробуем повзаимодействовать с одноатомным слоем графена.

Почему людей интересует именно графен? Потому что он один из самых быстрых материалов на Земле. На его основе можно строить очень быструю электронику. Сейчас вся электроника построена либо на кремнии, либо на германии. А в графене при комнатной температуре можно достичь такого режима работы, который называется «баллистическим» — электрон может пролететь через весь ваш прибор, ни разу не столкнувшись с атомами решётки.

Если решить эту задачу, можно будет делать приборы, которые будут способны выполнять сложнейшие вычислительные задачи, на решение которых у обычных приборов уйдут десятки, а то и сотни лет.

«Мы создавали новые материалы с абсолютно новыми свойствами»

После аспирантуры у западных учёных наступает постдокторская подготовка. Виктория решила провести это время в Оксфорде и узнать больше про двумерные материалы на факультете материаловедения.

Когда Андрей Гейм и Константин Новосёлов открыли графен, они, по сути, открыли целое абсолютно новое направление. Почему они получили Нобелевскую премию? Потому что до этого все были уверены, что такие материалы существовать не могут, это нарушает термодинамическое равновесие.

Но они доказали обратное. И открыли не только графен, а целую большущую семью. Это очень круто, потому что эти материалы можно как лего друг на друга класть, делать с ними, что угодно. И создавать абсолютно новые приборы с совершенно новыми свойствами. Сделать, например, крошечные светодиоды и собрать из них гибкий дисплей — чтобы его можно было клеить на кожу как переводное тату (или вообще сворачивать в трубочку — авт.).

«Теперь вы ответственны за весь мир»

Еще одна важная вещь в Оксфорде — поиск смысла жизни, говорит учёная.

А потом поняла. В Оксфорде такое скопление философских школ, людей со всего мира и институтов, которые занимаются — буквально — развитием человечества, и ты всё время варишься в этой маленькой экосистеме. И тебе постоянно задают вопрос: в чем смысл твоей жизни?

Философия такая: если ты получил привилегию обучаться в Оксфорде, то должен вернуть полученные тобой знания людям, не имеющим такой возможности. Тебе говорят: «Мы дали вам эти уникальные знания, — и теперь вы ответственны за весь мир». Что ты выберешь?

«Мышь помещают в мышиную виртуальную реальность»

Размышляя о смысле жизни, Виктория думала, что нужно сделать что-то, что будет приносить практическую пользу людям. На втором году в Оксфорде, к их исследовательской группе присоединилась девушка, которая удаляла раковые опухоли из области головы и шеи. Она предложила студентам сделать прибор, который бы помогал ей проводить операции. И Виктория поняла — вот оно, предназначение!

Здесь Виктория работает уже год. Её группа изобретает приборы, которые могут считывать информацию из мозга. По английски это звучит как «brain computer interfaces», а на русский переводится как «нейроинтерфейсы» или же «мозг-компьютер».

Грубо говоря, это система для обмена информацией между человеческим мозгом и электронным устройством. Прибор регистрирует электрическую активность мозга, а компьютер её расшифровывает.

Нейронауки в Стэнфорде состоят из разных ступеней. Например:

• разработка приборов, которые «общаются» с мозгом;
• работа над коннектором, который «разговаривает» с компьютером и передает информацию устройствам (напирмер, роборуке);
• ступень, на которой делают сенсоры для роборуки, чтобы она «чувствовала», что берет;
• сотрудничество с инженерами, хирургами и специалистами по фундаментальным нейронаукам.

Да и не для всех исследований нужен именно человеческий мозг. Можно использовать простые модели, например, фруктовые мошки. У них такой крошечный мозг, что его можно просканировать за один раз.

В Стэнфорде многие работают с мошками, рыбами, крабами и резус-макаками. Виктория проводит поведенческие эксперименты над лабораторными мышами. Звучит жутковато: у мышей удаляют часть черепа и заменяют её на прозрачный материал. Через это «окошечко» с помощью лазера можно наблюдать за работой мозга, «видеть, как нейроны разговаривают друг с другом».

Мышь помещают в «мышиную виртуальную реальность»: садят её на вращающийся шарик и устанавливают перед ней огромный монитор с изображением лабиринта. Зверёк пытается найти выход, а ученые буквально наблюдают за ходом его мыслей. Однако подобные фундаментальные исследования проводятся только на простых организмах.

Исследовать мозг можно, впрочем, и на людях, при некоторых обстоятельствах. Например в Оксфорде Виктория узнала, что сотрудники больниц в окрестностях регулярно делают операции по удалению опухолей мозга и в этой процедуре у них появляется «окошко» в 10-20 минут, когда на предназначенном для удаления участке мозга можно проводить локальные эксперименты без вреда для пациента.

— Эта часть мозга в любом случае будет удаляться, и можно проводить на нем локальные маленькие измерения, которые никоим образом не повредят человеку. А потом уже она удаляется, и идет стандартная процедура. Обычно учёные предварительно просят пациента поучаствовать в таком маленьком эксперименте, потому что он все равно проходит через операцию, — говорит Виктория.

Пока технология нейроинтерфейсов базируется на электродах, которые имплантируют в головной или спинной мозг. Здесь многое зависит от конкретной задачи. Например, цель Neuralink — помочь обездвиженным людям управлять девайсами, и потому стартап хочет создать малоинвазивный нейрочип для передачи данных. Другие компании стремятся, например, помочь людям с ампутированными конечностями. Допустим, человек пользуется бионогой, но у него нет обратного сигнала в мозг. Значит, он не сможет корректировать свой центр тяжести и будет падать во время ходьбы. Чтобы этого избежать, ученые могут встроить электрод в головной или в спинной мозг и стимулировать ту часть, что ответственна за восприятие данной информации.

«Технология, которая влияет на человеческое сознание, должна развиваться в безопасном русле»

Но пока что электроды такого типа не вышли на рынок и не применяются на клинических пациентах. Виктория поясняет, что по факту должно пройти минимум 5–10 лет после изобретения прибора, чтобы его начали применять на людях.

Кроме того, медицинское сообщество примет не всякий прибор. Учёный может создать хрупкий механизм, который надо часами имплантировать в мозг с помощью пинцета. Но задача хирурга — минимизировать время пациента на операционном столе. Он просто не станет использовать то, что потребует больше условных 5 минут на «сборку».

Однако, подчёркивает Виктория, любая технология, особенно влияющая на человеческое сознание, должна развиваться в безопасном русле, будь то соцсети, компьютерные игры или государственная пропаганда: наш мозг не сильно изменился со времён кроманьонцев и по-прежнему подвержен всплескам гормонов. На нас слишком просто повлиять.

Но это будет только через лет 10–20, а до тех пор мы должны через взаимодействие с властью и бизнесом контролировать, чтобы эту технологию не использовали в «плохом» направлении, — говорит она.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент текста с опечаткой и нажмите Ctrl + Enter.