Самый быстрый материал и «чтение» мозга. Беларуска 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.

2 комментария
Самый быстрый материал и «чтение» мозга. Беларуска 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.

Виктория в лаборатории. Фото героини

«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.

— Наша группа Стефана Майера была одной из первых, кто начал рассматривать сверхбыстрые свойства графена, — говорит Виктория. — Мы соединяли этот материал с наноструктурами и смотрели, как они взаимодействуют.

Строение графена

— Наноструктуры обладают интересными свойствами. Как объяснить? Например, когда солнце садится, не все предметы отбрасывают тень — только большие, потому что свет их «видит» и обходит этот предмет. Маленькие предметы не оставляют тень — свет их «не замечает».

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. 

— Вся моя исследовательская работа в Имперском колледже была про это: насколько быстрый этот материал? насколько быстрым он может быть? У меня был замечательный лазер, я его просто обожаю, огромный, с большим количеством оптических трюков. И я в реальном времени могла смотреть, что происходит внутри графена — как электроны поднимаются наверх и медленно падают.

Это, конечно, фантастика, что есть приборы, которые позволяют это видеть в реальном времени. Я смотрела, насколько быстро эти возбужденные электроны упадут вниз. И думала, как сделать, чтобы они упали быстрее? Интересная наука, фундаментальная, — говорит Виктория. 

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. 

Jobs-бот найдет работу: подключайте бота в Telegram и получайте подходящие предложения

«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.

Для беларусов в Оксфорде есть стипендии, их можно посмотреть по ссылке.

— Мы исследовали новые материалы. Запускали в кварцевую трубу разные газы и порошки и выращивали под определенной температурой двумерные материалы. Это как готовка — ты не знаешь, что в итоге получится из рецепта. Результат мы определяли через просвечивающую электронную микроскопию (такой прибор, который испускает луч электронов, и можно рассмотреть атомы внутри кристалла).

Приборы, в которых Виктория и ее команда растили материалы — они светятся во время процесса, т. к. метал раскаляется. Фото героини. 

И вот. Мы садились и считали, сколько там атомов, где они находятся и что за материал получился. Потом надо было посмотреть, какими же свойствами он обладает и что может делать.

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.

— Оксфорд — удивительное место (и я рекомендую всем, у кого есть возможность, прийти сюда на стажировку). До приезда сюда, я читала в книгах: «Я нашёл свой смысл жизни в Оксфорде» — и думала, как это возможно?

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! 

Решила заняться приборами для измерения работы мозга. Подалась на грант Стенфордского университета, потому что Стэнфорд — один из мировых центров по изучению работы мозга (например, в основе технологий Neuralink лежат исследования именно профессора Стэнфорда — Кришли Шеноя).

Нейроны растут поверх приборов. Фото героини.

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.

— В лаборатории мы пытаемся понять, как можно разговаривать с мозгом, на уровне клеток. И параллельно работаем с мышами, чтобы понять, насколько эффективно можем считывать информацию с маленького мозга. Наша конечная точка — передать прибор людям. Но не каждым прибором уже можно работать с пациентами.

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».

— Но, думаю, в ближайшие 10 лет мы увидим совершенно другие приборы, которые придут на рынок и очень сильно продвинут медицину и науку, — считает Виктория. В теории подобные разработки позволят даже лечить болезнь Альцгеймера.

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.

— Очень много исследователей пытаются понять, есть ли у человека вообще свобода воли. Так коллеги стимулировали мозг пациентов и спрашивали: «Ты сам об этом подумал или это стимуляция?» И пациенты не смогли отличить, — говорит Виктория. — Такая технология, как электроды в мозге, в теории может быть очень опасной, если попадет не в те руки.

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.

Наука и санкции. Спросили учёного-физика как повлияла война
Наука и санкции. Спросили учёного-физика, как повлияла война
По теме
Наука и санкции. Спросили учёного-физика, как повлияла война
Как минчанка попала на работу в NASA и изучает космическую погоду
Как минчанка попала на работу в NASA и изучает космическую погоду
По теме
Как минчанка попала на работу в NASA и изучает космическую погоду
Где отыскать well-being. Антон Марченко рассказал как прошёл курс «Наука о благополучии» в Yale
Где отыскать well-being. Антон Марченко рассказал, как прошёл курс «Наука о благополучии» в Yale
По теме
Где отыскать well-being. Антон Марченко рассказал, как прошёл курс «Наука о благополучии» в Yale
Подписывайтесь на «Что к чему» —
анамнез и главные симптомы беларуского ИТ.
Цифры, графика, ничего лишнего. Выходит раз в 2 недели.
Спасибо! На указанный адрес отправлено письмо для подтверждения подписки.
Читайте также
Как беларуские выпускники поступают в Польшу и Россию — и повлияла ли война. 4 истории
Как беларуские выпускники поступают в Польшу и Россию — и повлияла ли война. 4 истории
Как беларуские выпускники поступают в Польшу и Россию — и повлияла ли война. 4 истории
dev.by искал молодых людей, которые поступили этим летом в вузы за границу, — отозвались 4 человека. Двое выбрали Польшу, ещё двое  Россию (для одного это временный вариант, он планирует перепоступить в следующем году).  Спросили у ребят, как они выбирали вузы, куда поступали одноклассники и как на выбор повлияло вторжение России в Украину (и вчерашние новости о мобилизации). 
6 комментариев
EnCata будет штамповать заводы, которые штампуют дома
EnCata будет штамповать заводы, которые штампуют дома
EnCata будет штамповать заводы, которые штампуют дома
«Строительная отрасль полностью дисфункциональна», — говорит СЕО EnCata Олег Кондрашов. И предлагает «реанимировать стройку»: повторить успех Генри Форда и запустить конвейер, который будет штамповать модульные дома. А ещё — запустить мобильные заводы с этими конвейерами. Первый тестовый дом с железными стенами и окнами в пол уже построен — в нём 2 года как живёт СЕО. А сейчас в Великом камне достраивают тестовый завод. Есть ли будущее у проекта и какое, рассказывает dev.by Олег Кондрашов.
8 комментариев
Пара айтишников переехала в Австралию. Впечатления, цены, жильё
Пара айтишников переехала в Австралию. Впечатления, цены, жильё
Пара айтишников переехала в Австралию. Впечатления, цены, жильё
15 комментариев
Думскроллинг вредит психике и физическому здоровью пользователей
Думскроллинг вредит психике и физическому здоровью пользователей
Думскроллинг вредит психике и физическому здоровью пользователей
1 комментарий

Хотите сообщить важную новость? Пишите в Telegram-бот

Главные события и полезные ссылки в нашем Telegram-канале

Обсуждение
Комментируйте без ограничений

Релоцировались? Теперь вы можете комментировать без верификации аккаунта.

10

Спасибо.
Было интересно.

-5

Спасибо, как всегда криндж.