'Вопросы к интервью

Н. Асадова 16 часов и уже почти 7 минут в Москве. У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». Привет, Егор.

Е. Быковский Здравствуйте, дорогие друзья. Привет, Наргиз.

Н. Асадова Да. И вот мы наконец-то вернулись все в Москву.

Е. Быковский Наконец-то.

Н. Асадова И свеженькую передачу «Наука в фокусе» для вас сейчас проведём. И первая же тема, мы думали как назвать её, и колебались между «Зомби апокалипсисом» и в общем по сути идёт речь о том, что индийская компания одна, которая называется, сейчас я скажу как она называется, она называется BioQuark. Так вот она объявила о том, что она ведёт сейчас очень интересные исследования по воскрешению умершего мозга. То есть мозг человека, у которого признали клиническую смерть. И вот здесь описывается, что это за люди, которые …

Е. Быковский Всё-таки воскрешение или наращивание?

Н. Асадова Нет, там именно как бы воскрешение мозга, который претерпел серьёзное и масштабное повреждение, более того, у этих людей перебит позвоночник.

Е. Быковский Спинномозговой канал.

Н. Асадова Да, спинномозговой канал. И соответственно, они в клинической смерти находятся, 20 таких пациентов сейчас компания BioQuark взяла себе на исследования. Они уже провели такие исследования по воскрешению умершего мозга на грызунах и, в общем-то, добились каких-то успехов и мы тут посмотрели просто, каким образом они собираются это делать. В частности, интересный способ, они выращивают клетки мозга из поврежденной части мозга, они препарируют их мёртвый мозг, а затем создают среду, чтобы этот мозг (уже мёртвый по сути) нарастил вот эту недостающую часть мозга сам из этих подсаженных клеток. Понятно, что они используют электричество, биотехнологии и т.д. Но просто это вот настолько статья, которая меня заворожила, но и в общем-то сейчас очень модная тема, скажем так, вот последний журнал Newsweek американский, если кто читает, практически полностью посвящен последним исследованиям мозга. Я всем рекомендую почитать. И в общем мы конечно же пригласили нашего любимого гостя — Филиппа Хайтовича — профессора Сколтеха, эволюционного биолога, профессора Шанхайского НИИ вычислительной биологии и руководителя лаборатории в Сколтехе.

Здравствуйте, Филипп.

Ф. Хайтович Здравствуйте.

Н. Асадова Я просто посылала статью. Меня она, конечно, поразила. Скажите, действительно ли это такие новые исследования и как много компаний в мире вообще такого рода исследования ведёт.

Е. Быковский И зачем они нужны. Потому что я, например, так и не понял. Чем должно закончиться дело по выращиванию мозга? Возродятся ли его функции просто так, особенно в мёртвом мозге? Вообще совсем не понятно. Ничего.

Ф. Хайтович Выращивание или возрождение мозга — это, конечно, несколько утрированно, но то, что пытаются люди, то, что описано в этой статье в частности — это попытка возвращения хотя бы некоторых функций мозга. Смотрите, человек подключён к множеству механизмов, которые поддерживают жизнь в теле. А мозг тоже поддерживает в неком таком латентном состоянии, но не понятно, мёртвый он или нет, то есть можно ли его восстановить, потому что бывает же, когда люди просыпаются вдруг…

Н. Асадова После комы, да. Бывает 4 года в коме или 5 даже.

Ф. Хайтович Но через несколько лет, да. И никто даже и не думал, что они вдруг проснутся. Они просыпаются. Пожалуйста, вот даже было кино у Тарантино, когда Ума Турман проснулась.

Н. Асадова Да-да-да. А вот ещё, кстати, была интересная статья в Newsweek, я читала, там приводится пример девушки молодой, ей всего 22 года было, и у неё неожиданно произошёл инсульт, и пока её довезли до больницы, пока её восстановили, мозг был значительно повреждён, и она утратила возможность ходить. Дышать, в общем-то, она могла, но ходить, разговаривать, реагировать очень долго не могла. И врачи понимали, что этот человек жив, родители хотели, чтоб он жил дальше… Это молодая девушка, да. И если была бы возможность восстановить вот те участки мозга, которые были повреждены за тот период, вроде за сутки, когда кислород в достаточном количестве не поступал в мозг, то с помощью таких технологий можно будет людей возвращать не просто к жизни, а к довольно полноценной жизни.

Ф. Хайтович В этом вопросе есть два аспекта: один аспект — это тот, о котором вы сказали, что в принципе можно попытаться. Мозг же — орган, который в принципе не сильно изменяется, потому что те нейронный сети, которые сформированы в процессе жизни, определяют, как мы думаем. Если произошло повреждение, нужно эти нейронные сети восстановить заново. Если есть поврежденный участок и нейроны там уже неактивны, они не могут быстро восстановить нейронные сети. Если попытаться их активизировать или пересадить туда стволовые клетки, которые потом под влиянием внешних стимулов будут формировать нейтронные сети — действительно, это может помочь восстановить какие-то функции гораздо быстрее. Даже если у человека был инсульт, не обязательно у двадцатилетнего, может быть, у восьмидесятилетнего, и чтобы он стал быстрее ходить, такая технология в принципе может помочь.

Но есть ещё более интересный аспект. Потому что мы же говорим здесь не о людях, у которых инсульт, которые в принципе живы-здоровы, ну, не здоровы, а так сказать, более-менее в порядке, но им нужно восстановить какую-то часть утраченной функции. Мы говорим о людях, которые в принципе считаются умершими. Можно ли их мозг утилизировать для чего-нибудь? И, конечно, когда мы говорим об утилизации мозга, сказать — что это такое, что это за утилизация мозга? С другой стороны, надо понимать, что сейчас технология развивается в сторону создания, например, искусственного интеллекта. Искусственный интеллект никого не удивляет. С другой стороны, если взять уже существующий мозг и вставить его в какую-то машину, чтобы он (настоящий мозг) управлял какими-то устройствами, а не искусственный интеллект.

Н. Асадова Ниндзя-черепашки вспомнила. Помните, там такой Крэнг есть, такой мозг, которому всё время создают новое тело, как машину, которой он управляет.

Ф. Хайтович В принципе всегда во всех фильмах есть намёк. Сказка -ложь, да в ней намёк.

Е. Быковский Если вернуться к этому эксперименту, всё равно мне не понятно. Насколько я понимаю, у нас сейчас нет никаких средств, никакого инструментария точнее, для того чтобы определить есть вот мозг или нет. Человек лежит в коме, мы не понимаем. Хотя, с одной стороны, вроде как умеем снимать основные эмоции с мозга. И даже читать мысли. Не предметно, а как-то более-менее обобщённо. Мы не можем понять, думает о чём-то человек в коме или нет. Тогда какой смысл наращивать мозг, если мы всё равно не можем понять, к чему это привело? Восстановились ли через этот участок какие-то функции или нет?

Ф. Хайтович Ну, это не совсем так. У нас на самом деле инструментарий есть. Чего у нас нет, так это статистики. То есть если мы будем использовать компьютерную томографию, магнитную томографию, которые позволяют увидеть достаточное количество деталей о происходящем в мозге. В том числе с точки функциональных изменений. Есть функциональная магнитная томография. В принципе можно понять, что там происходит. Но как это связать с тем, проснётся человек или нет? Нужно же тогда накопить достаточно статистики, чтобы сказать: вот мы померили мозг, и там какие-то такие изменения, какие-то такие сигналы. А вот через 20 лет он проснулся. Таких данных у нас сейчас просто нет. Мы можем смотреть с помощью современных методов на мозг сколько угодно и фиксировать в нём какую-то активность, какие-то структурные изменения. Но мы не сможем сказать просто потому, что у нас не достаточно данных о том, что произойдёт с человеком потом. Сможет ли он восстановиться потом или нет. Проснётся он или нет.

Е. Быковский С другой стороны, быстро мы не накопим эти данные. То есть надо как-то с другой стороны заходить. Статистически вряд ли решим проблему.

Н. Асадова С другой стороны надо же когда-то начинать. Есть же проект коннектом, про который мы говорили. Где эти данные уже начали накапливать, смотрят активность мозга. Как разные участки мозга связаны друг с другом. Как серое вещество связано с белым веществом. Какие участки в какой момент задействуются. То есть всё это уже начали изучать и статистику эту начали собирать.

Ф. Хайтович Совершенно верно. В принципе статистика, о которой говорит Наргиз — это больше, конечно, на живых людях. Но если мы поймём, как работает мозг у живого человека, если мы поймём, как изменяется мозг, когда повреждается какая-то структура, то нам будет проще интерпретировать то, что мы считываем в мозге у людей, которые находятся в вегетативном состоянии (как говорят, люди-овощи, в коме), которые не реагируют ни на что, которые считаются уже мёртвыми. Тем не менее, если мы увидим, что там какие-то процессы напоминают то, что происходит в мозге живого человека, то будет проще сказать, что скорее всего еще рано ставить точку.

Н. Асадова Возвращаюсь к последней статье в Newsweeek, в которой говорится о том, что в Канаде порядка 20% людей с признанной клинической смертью оказались на самом деле живыми.

Е. Быковский Клиническую смерть мозга, ты имеешь в виду?

Н. Асадова Да, именно так. И оказывается, что на самом деле они в сознании, они могут ещё вернуться к жизни.

Е. Быковский Именно в сознании прямо?

Н. Асадова То есть да, сознание их не покидает. По крайней мере, такая статистика в этом журнале. Поэтому на эту проблему обратили внимание в последнее время учёные. Мы знаем только единичные случаи, когда через 5, через 10 лет вдруг после комы человек приходит в сознание. А потом выясняется, что он, оказывается, периодически пребывал в сознании, просто большинство родственников предпочитают отключить человека от аппаратов — искусственного дыхания и т.д. И врачи, кстати говоря, тоже советуют. Говорят, что шансов на восстановление практически нет, и советуют отключить.

Ф. Хайтович Это зависит от типа страховки, конечно.

Н. Асадова Ну, это понятно, это довольно дорогое удовольствие — держать своего родственника, не дай бог, в таком состоянии.

Ф. Хайтович То, что предлагают эти разработки, о которых мы начали говорить в начале передачи — это попытаться обойтись без дорогостоящего оборудования. То есть если хотя бы восстановить ту часть мозга, которая управляет процессом дыхания и подобными процессами. Чтобы не нужно было подключать человека ко всей этой аппаратуре, чтобы человек лежал дома на кровати, и, конечно, все равно он не будет реагировать, но по крайней мере можно тогда подождать, начнёт он реагировать или нет.

Е. Быковский Подождать всё равно не получится — иначе его мышцы атрофируются через несколько месяцев, и он не встанет никогда.

Ф. Хайтович Мышцы, конечно, атрофируются, но их можно стимулировать электричеством тем же самым.

Н. Асадова По поводу повреждения мозга. Бывают такие драматичные, а бывают и не такие драматичные, но, тем не менее, которые потом пациентам причиняют неудобства жизни. Вот, например, Ираклий из Москвы пишет нам: «Скажите, пожалуйста, у меня после сильного удара головой в мозгу что-то испортилось, и теперь не работает зрение. Это как-нибудь восстанавливается или нет?».

Есть же методики работы с мозгом, для стимулирования связей в мозге, которые могут восстановить утраченные функции.

Е. Быковский Может быть, это не совсем мозг, мы же не знаем, проходили ли вы, Ираклий, обследование, и насколько подробное. Может, там проблема случилась со зрительным нервом, например.

Н. Асадова Есть смысл, да, начать с исследования. Если это действительно проблема в мозгу и поврежден какой-то участок мозга, отвечающий за зрение, то есть клиники, в которых это…

Ф. Хайтович Каждый случай индивидуален. Нельзя никогда сказать априори, что никакой надежды нет. Всегда нужно смотреть, что произошло, потому что это очень сложная система. Поломка может произойти во многих местах.

Е. Быковский И некоторые из них уже доступны для починки, а некоторые — еще нет.

Ф. Хайтович Совершенно верно.

Н. Асадова Я хотела бы вернуться ненадолго к техническим особенностям эксперимента, который индийская лаборатория проводит. Здесь они говорят что у них есть некий «секретный соус», из которого они…

Е. Быковский Надеюсь, не карри?

Н. Асадова Нет, не карри. С помощью которого они, собственно, создают утраченные клетки мозга. В статье упоминаются какие-то биоактивные молекулы и особенные стволовые клетки. Как это делается? Расскажите, пожалуйста, нам.

Ф. Хайтович На самом деле секретный соус у любой компании должен быть. Иначе как она может конкурировать с другими компаниями? Смысл, я думаю, в том, что если люди пытаются восстановить какие-то утраченные участки мозга, возродить активность нейронов в них, то для этого действительно можно использовать технологию, когда стволовые клетки, пересаженные откуда-то с другой ткани даже, репрограммированные клетки, которые были, может быть, клетками кожи или клетками какого-либо другого органа, потом их репрограммировать в то, чтобы они стали стволовыми клетками с многим количеством возможностей. А потом нужно добавить какие-то сигнальные молекулы, чтобы клеткам сказать «а теперь вы должны стать нейронами». Это и есть вот эти активные биомолекулы, которые говорят стволовым клеткам: «Теперь перестаньте быть стволовыми клетками, а становитесь нейронами». А потом еще, конечно, этим нейронам нужно сказать, кому, с кем и как связываться. Потому что они просто хаотично свяжутся…

Н. Асадова Будут сами по себе существовать.

Ф. Хайтович Да, может быть ещё хуже. Могут начаться эпилептические припадки. Такая хаотическая нейронная активность в мозге, которая совершенно ни к чему человеку, если у него и так какие-то повреждения. То есть нужно не просто, чтобы эти нейроны в мозге появились, но и их направить на создание нейронных цепей, которые бы имели смысл для мозга.

Н. Асадова А как создаются эти цепи? То есть есть какие-то специальные технологии для этого?

Ф. Хайтович В растущем эмбриональном мозге нейроны же как-то находят друг друга. Есть очень-очень сложный набор сигналов. Это очень интересная система, когда мы хотим соединить, например, мы покупаем телевизор, нам нужно его подключить к видеомагнитофону или к чему там сейчас подключают. А есть провода разного цвета и инструкция: втыкайте красный провод в красный штекер. И мы это делаем — всё работает. В мозге примерно то же самое. На клетках есть сигналы, на проводах аксоновых есть тоже какие-то сигналы, и они должны друг друга узнать и соединиться. Но только там не один провод и не один цвет, а миллионы и миллиарды. Если мы знаем, каким цветом что окрасить и пометить, они в принципе найдут друг друга.

Н. Асадова То есть по сути…

Е. Быковский Мы пока не знаем…

Ф. Хайтович Мы знаем чуть-чуть. Нельзя сказать, что мы совсем ничего не знаем. В принципе мы немножко знаем. Конечно, с таким уровнем деталей, чтобы мы могли вырастить сейчас в колбе мозг из каких-то отдельных клеток – конечно, это невозможно. Просто сказать «идите и соединяйте со спинным мозгом» — это возможно.

Н. Асадова Очень интересно. Дальше ещё одним аспектом, над которым работает эта компания, является создание микросреды, в которой клетки будут размножаться, и при этом правильно. Что вы по этому поводу можете сказать, что это за среда?

Ф. Хайтович Это большая проблема стволовых клеток. Ими трудно управлять. Они как непослушные дети, которые могут стать инженерами, водителями троллейбусов, ведущими на радио или телевидении. Но вам нужно, чтобы все дети стали вдруг водителями троллейбусов. А кто-то не хочет, а хочет быть ведущим, или художником, или ещё кем-то. Нужно их заставить. Потому что вам не нужны художники в троллейбусном парке. Это главная проблема. Если вы хотите дифференцировать стволовые клетки чётко в какой-то тип, вам нужно очень серьёзно поработать, чтобы направить их. Обычно это не удаётся. Обычно какой-то процент идёт, куда надо, из остальных вырастает бог знает что, и они, конечно, мешают.

Е. Быковский В организме происходит то же самое при естественном развитии событий?

Ф. Хайтович В организме помогает то, что эти клетки растут вместе друг с другом в ткани. То есть ткань — это такое сообщество. Понимаете? Вот, если человека отдать в кадетское училище…

Е. Быковский То он станет военным.

Ф. Хайтович Да, ему будет сложно вырасти в кого-то, ну там не знаю…

Е. Быковский В водителя троллейбуса.

Ф. Хайтович Да. Просто вот такая жёсткая среда в тканях, когда они дифференцируются, когда клетки друг с другом обмениваются сигналами и говоря «мы должны идти в одном направлении», она позволяет клеткам строить отношения, которые ведут даже к таким сложным системам, как человеческий мозг. А если мы их из коллектива вырываем, или даже какой-то локальный коллектив создаём, но не связанный хорошо с остальной частью ткани, там начинается разброд и шатание. И там получаются не очень хорошие эффекты.

Н. Асадова Ещё один момент. Мы в начале передачи сказали, что все эти люди, 20%, что у них у всех ещё и повреждение спинного мозга произошло. И я так понимаю, что есть уже способы восстанавливать эти повреждения, поскольку не только в этой статье говорится о том, что это возможно, и были проведены эксперименты на мышах, и вот, если помните, мы как-то обсуждали историю про доктора, который собирается пересадить голову живого человека на другое тело. И когда в отдельности рассматривается каждый из этапов операции, там отдельно говорится про то, как мозг живого человека соединить со спинным мозгом другого тела. Описывается, что в принципе такие эксперименты были проведены на животных. И это работает. Иногда лучше, иногда хуже, но тем не менее. Не могли бы вы рассказать, про это? Как это стало возможным?

Ф. Хайтович Спинной мозг, конечно, проще, потому что головной мозг — это сложная система со сложными связями, с многими функциональными регионами. Это как город Москва.

Н. Асадова Да, но ещё картирование мозга не законченно. Мы ещё не знаем, что за что отвечает. Как они связаны.

Ф. Хайтович Да-да-да, очень сложно. А спинной мозг — это значительно проще. Спинной мозг — это довольно-таки сложный кабель, который связывает головной мозг со всеми остальными органами тела, которые находятся вне головы.

Е. Быковский Самостоятельных решений он не принимает.

Ф. Хайтович Он, конечно, тоже обрабатывает информацию, там же тоже не просто провода, там сидят и клетки, которые тоже могут усиливать сигнал, уменьшать. Сложно назвать это самостоятельными решениями т.к. самостоятельных решений не принимает. Но если там вдруг функция усиления или уменьшения сигнала плохо работает, то тоже будут проблемы. Но, тем не менее, это настолько проще, чем головной мозг, то и устранять повреждения тоже проще. Естественно, основная проблема со спинным мозгом — это то, что нейроны очень сложно восстановить. Например, мы порезали палец, и через некоторое время наша кожа заросла, потому что она приспособлена на то, чтобы быстро регенирировать, на то она и кожа. А если мы порежем соединение между нейронами (аксоны, дендриты — вот эти проводки, им очень сложно зарасти.

Н. Асадова И зашить их нельзя ниткой.

Ф. Хайтович И зашить их суровыми нитками тоже нельзя. Поэтому нужно простимулировать, если это возможно. В принципе, это достаточно просто, кого с кем соединять. Но есть тоже аспекты свои.

Н. Асадова Стимулируют током? Электротоком в основном? Или чем?

Ф. Хайтович На самом деле — нет. Ток — он проверяет, идёт сигнал или нет через систему. Это уже не совсем то. А главное — активировать сами нейроны, чтобы они росли. Или подсаживать к ним эти стволовые клетки. Но тут своя проблема. Стволовые клетки могут делиться бог знает во что и даже в раковую опухоль могут вырасти, если их не контролировать.

Е. Быковский Для этого же есть тоже простой естественный процесс. Клетки мозга умирают, рождаются новые, растут, соединяются с разными другими прочими клетками. И мы их не стимулируем специально для этого.

Ф. Хайтович К сожалению, в мозге взрослого человека есть всего несколько участков, где могут рождаться новые нейроны. Всего несколько, то есть большая часть… вот когда говорят, что нейроны не восстанавливаются, на самом деле, конечно, это не совсем правда, но большая доля правды в этом есть, к сожалению. То есть у нас не могут все нейроны мозга быть восстановлены новыми нейронами.

Н. Асадова Имеются в виду конкретные части мозга, где есть деление клеток, или у них у всех есть эта возможность, но она ограничена?

Ф. Хайтович Нет, у здорового обычного мозга это только определенные зоны: это в вентральной зоне, в гиппокампусе. А в других, скажем, вот, в коре обычной, если мы возьмём наши знаменитые лобные доли, там ничего такого не происходит. Там, конечно, есть делящиеся клетки, которые отвечают за борьбу с мусором и так далее, но сами нейроны – нет, новые нейроны ниоткуда не берутся. То есть если нейрон умер, с ним плохо обращались, они умерли по какой-то причине, то всё. Другое дело, что, как я уже говорил некоторое время назад, да и всегда говорю — нет такой функции, которая бы полагалась на один-единственный нейрон. Когда мы о чём-то думаем — это всегда миллиарды-миллиарды нейронов.

Н. Асадова Очень интересный разговор. К сожалению, наше время подошло к концу. Мы обязательно ещё вернёмся в наших передачах к разговору о мозге.

Е. Быковский И к Филиппу.

Н. Асадова Напоминаю, у нас в гостях был Филипп Хайтович, профессор Сколтеха, эволюционный биолог, профессор Шанхайского НИИ вычислительной биологии и руководитель лаборатории в Сколтехе. Мы сейчас прервёмся на новости и рекламу, затем продолжим нашу передачу. Никуда не уходите.

НОВОСТИ

Н. Асадова 16 часов и 35 минут в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, заведующий отделом науки журнала «Вокруг света». И мы продолжаем нашу передачу.

Е. Быковский В прошлом месяце вышел очередной номер такого прекрасного журнала, который выпускает Массачусетский технологический институт, он называется MIT Technology Review. Они там предложили топ-10 самых потрясающих изобретений, которые окажут большое влияние на нашу жизнь в этом и в следующем году. В частности, они предполагают, что через пару лет мы сможем повсеместно заряжать свои гаджеты с помощью wi-fi и всяких других прочих телекоммуникационных сигналов, мобильной сети, например.

Н. Асадова Жизнь без проводов.

Е. Быковский Да, почти. Учёные Вашингтонского университета недавно успешно опробовали технику (статья вышла 2 месяца назад), которая позволяет гаджету заряжаться от сигналов, исходящего от других устройств, например, от wi-fi-роутеров и других вещей. Это становится возможным благодаря новому разработанному методу, который основан на технике обратного рассеивания. По этому поводу мы решили поговорить с Константином Звездиным. Он старший научный сотрудник ИОФ РАН им. А.М.Прохорова и МФТИ, руководитель проекта «Спинтроника» Российского Квантового Центра.

Здравствуйте, Константин. Спасибо, что согласились прокомментировать нам вот эту новость. Как вы оцениваете вероятность такого прогноза MIT Technology Review — через 2-3 года возможность зарядки устройств от роутеров? И как вы оцениваете вообще саму эту технологию?

К. Звездин Добрый день, Егор. Тут я полностью согласен с авторами обзора — эта технология чрезвычайно перспективна. Связанно это вот с чем: традиционная энергетика основывалась на подходе, когда электроэнергию требовалось концентрировать в месте производства или потребления. Когда существовали большие заводы, которые потребляли большое количество электроэнергии, жилые помещения и т.д. Однако с развитием новых технологий этот подход меняется. Сейчас требуется распределенное потребление энергии, появляется большое количество мобильных устройств, устройств носимой электроники, которые, с одной стороны, потребляют небольшое количество электроэнергии, но, с другой стороны, традиционные методы подзарядки (проводные) достаточно затруднены. Поэтому требуется производство энергии, сбор энергии локализовать непосредственно в месте потребления. С этой точки зрения эта технология мне представляется очень перспективной.

Е. Быковский Насчет небольшого, может быть, у меня будет небольшое возражение, потому что когда мы говорим про мобильные устройства, мы в первую очередь имеем смартфоны. А они довольно прожорливы. Конечно, есть всякие датчики, которые её почти не потребляют или потребляют от случая к случаю, когда надо измерить состояние — для них, наверное, это не проблема, а вот заряжать такие громоздкие устройства с большими светящимися цветными экранами — не очень себе представляю, как это возможно по воздуху.

К. Звездин Тут я с вами согласен. Действительно, эта технология не вполне подходит для зарядки традиционных смартфонов, к которым мы привыкли. Или тем более планшетных компьютеров. Но, с другой стороны, сейчас мы наблюдаем технологический тренд, который подтверждает перспективность этого прогноза. Тренд заключается вот в чём: количество энергии, которая затрачивается на элементарные вычислительные операции, уменьшается с законом Мура. То есть появляется возможность производить всё более и более дешёвые с точки зрения энергопотребления устройства. Если мы не говорим о мощных смартфонах, которые с каждым поколением становятся всё более и более мощными и энергопотребляющими, а действительно говорим об умных датчиках и устройствах носимой электроники, то для этих устройств такой сбор энергии — это действительно очень перспективный и, может быть, единственный способ сделать такие устройства полезными и удобными для пользователей.

Е. Быковский Получается что для того чтобы поддерживать в рабочем состоянии массу датчиков, которые сейчас вокруг нас существуют, разнообразных мелких устройств, придётся всё время на них транслировать какой-то wi-Fi сигнал?

К. Звездин В той статье, которую мы сегодня обсуждаем (статья американских физиков и инженеров из Вашингтонского университета), как раз говорится о другом подходе, когда с помощью небольшой доработки обычных протоколов wi-fi роутеров возможна передача не только информации, но и энергии. То есть фактически можно использовать ту энергию, которая всё равно передаётся wi-fi роутерами, которая транслируется вокруг себя. Но при этом ещё нужно отметить, что нас окружает не только энергия. Если мы говорим о микроволновой магнитной энергии — это не только энергия wi-fi, которую распространяет роутер wi-fi, но и энергия сотовых сетей, энергия, которую передают передатчики цифрового телевидения и т.д. То есть если говорить об уровне этой энергии, то, например, в центре больших городов уровень примерно достигает 10 нановатт на квадратный сантиметр.

В принципе, если бы были готовые технологии эффективного сбора такой энергии, эту энергию вполне можно было бы более эффективно использовать для питания таких беспроводных энергетически дешёвых электронных устройств.

Е. Быковский А если ещё собрать какую-нибудь антенну, собирающую в квартире… Потому что то, что вы сказали на квадратный сантиметр – это, наверное, совсем для небольших устройств. Для больших можно её собрать и как-то пучком направить куда-то, да? Поскольку она есть и так свободная вокруг нас.

К. Звездин Вы знаете, была такая история в тридцатых годах прошлого века, когда наши органы разоблачили группу врагов народа, которая собирала энергию с помощью антенн от энергии, передаваемой радиостанцией, и бесплатно запитывала энергоприборы в своих домах. Возвращаясь к нашей теме, тут мы не можем использовать по понятным причинам большие антенны, сделать неудобным и невозможным использование технологии в умных датчиках в компактных устройствах. То есть единственный способ — это повысить эффективность сбора энергии. Здесь нам на выручку приходит спинтронная технология, так называемый спиновый диод, работой которого мы занимаемся в квантовом центре.

Е. Быковский Расскажите подробнее.

К. Звездин Спиновый диод — это наноэлектронное устройство, основанное на двух физических принципах. Первый принцип — это гигантское магнитосопротивление, за открытие которого была получена Нобелевская премия в 2007 году физиками Грюнбергом и Фестом.

Е. Быковский Подождите-ка, правильно ли я представляю, что гигантское магнитосопротивление используется уже четверть века в производстве жёстких дисков? Или я путаю?

К. Звездин Да, совершенно верно. Во всех жёстких дисках, основанных на магнитном хранении информации, для считывания информации, используется гигантское, а в данном случае туннельное магнитосопротивление. Эффект заключается в том, что если создать многослойную плёнку, состоящую из чередующихся магнитных и немагнитных слоёв, то электрическое сопротивление такой структуры будет зависеть от взаимной ориентации намагниченности в магнитных слоях. Таким образом, меняя взаимную ориентацию намагниченности, можно управлять сопротивлением этой структуры. То есть этот эффект может использоваться для детектирования, как это происходит в считывающих головках жёстких дисков, может использоваться для хранения информации — одна из таких революционных технологий магнитной оперативной памяти. Но может использоваться также и для детектирования или выпрямления микроволнового сигнала. В этом случае через такую многослойную структуру подаётся микроволновой ток, и тут вступает в действие второй эффект, на основе которого работают такие устройства — это эффект переноса спина. То есть мы знаем со школьного курса физики, что электрический ток — это поток электронов, поток зарядов. Но также электроны переносят с собой и спин, то есть момент количества движения, и, проходя через магнитный слой, электроны поляризуются по спинам. То есть получается, что электронов с одним спином, сонаправленным с намагниченностью данного слоя, их становится больше, чем электронов с противонаправленным спином.

Е. Быковский Уточню для слушателей, которые плохо помнят курс физики, что спинов тоже два, условно — вверх и вниз (те же самые ноль и единица).

К. Звездин Да, и фактически электроны, проходя через ферромагнитный материал, поляризуются по спину. Электронов со спином, сонаправленным с намагниченностью данного слоя, становится больше, чем электронов со спином, противонаправленным намагниченности этого слоя. И дальше если мы представим такую структуру, состоящую из нескольких магнитных слоёв, в которых намагниченности направлены друг против друга, то электроны, переходя из одного слоя, переносят момент количества движения с собой в следующий слой. И если намагниченность этого слоя не совпадает с намагниченностью слоя предыдущего, то электроны как бы переносят с собой информацию о намагниченности предыдущего слоя. И мало того, что они переносят информацию, они создают вращающий момент, который действует на данную намагниченность. И перемагничивают принимающий слой.

Теперь, если мы вернёмся к спиновому диоду, то в этом случае подаётся переменный ток, то есть фактически ток, который нам необходимо выпрямить. И в данном случае намагниченность одного слоя, который называется слой-поляризатор, она постоянная, а намагниченность принимающего слоя может меняется — это называется свободный слой. И если подать на такую структуру переменный ток, то намагниченность свободного слоя начинает осциллировать. Причём, эти осцилляции намагниченности вызываются благодаря эффекту гигантского магнитосопротивления, о котором мы говорили несколько минут назад, этот эффект вызывает осцилляцию электрического сопротивления данной структуры. Таким образом, в системе возникает, по аналогии с полупроводниковым диодом, возникает выпрямление сигналов. То есть мы подаём на структуры переменный ток и на выходе имеем переменный ток плюс некий постоянный сигнал. Причём, амплитуда постоянного сигнала зависит от того, насколько частота возбуждающего тока близка к собственной частоте свободного слоя. Таким образом, мы имеем детектор частоты.

Е. Быковский Возможно, некоторые слушатели чуть-чуть запутались уже под конец интервью. Скажите, пожалуйста, а спиновая электроника, или спинтроника, как ее правильно называть, может ли она вообще привести к радикальному снижению энергопотребления всяких электронных устройств?

К. Звездин Сложно ответить однозначно на этот вопрос. Наверняка она приведёт к радикальному снижению энергопотребления в устройствах хранения информации. То есть если говорить об оперативной памяти, то та оперативная память полупроводниковая, которая используется в компьютерах сегодня, требует энергии для поддержания той информации, которая хранится. Мы постоянно тратим информацию на то, чтобы хранить информацию в оперативной памяти. Если говорить о спинтронной памяти (MRAM), эта технология уже близка к промышленной реализации, то в этом случае нам не потребуется затрачивать энергию на поддержание информации. Такая память является энергонезависимой. Нам не придётся тратить энергию батареев фактически на поддержание информации в оперативной памяти. И такие устройства могут в спящем режиме хранить информацию и фактически по нажатию кнопки или по какому-то внешнему сигналу мгновенно загружаться и начинать работу. Это не совсем флеш-память. Флеш-память, в отличие от оперативной памяти компьютеров, она достаточно медленная. А тут мы говорим именно об оперативной памяти.

Е. Быковский Я понял вас. Константин, спасибо большое, что согласились ответить. Удачи вам в ваших исследованиях.

РЕКЛАМА

Н. Асадова 16 часов и почти 50 минут в Москве у микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский. Сейчас мы объявляем нашу любимую рубрику «Вопрос-ответ». +79859704545 — это телефон нашего прямого эфира. На него вы можете присылать СМС-ки со своими вопросами. И вот Дионис из Нью-Йорка, не откладывая в долгий ящик, сразу спросил нас: «Говорят, что алкоголь убивает клетки мозга. Правда ли это, и какое количество алкоголя нужно для убийства клетки мозга?».

Е. Быковский Нельзя сказать точно, какое количество алкоголя нужно для убийства одной клетки.

Н. Асадова И какой конкретно клетки.

Е. Быковский И какой конкретно, да, этого мы никогда не узнаем. Но вообще как это происходит. Представьте себе, что вы выпили бокал прекрасного шампанского залпом. Оно скатилось по пищеводу. Слегка, кстати, при этом раздражая его слизистую оболочку, но, впрочем, не больше, чем кофе какой-нибудь. А дальше на пути желудок, где шампанское ваше продолжает активно действовать на слизистую. Начинает очень быстро благодаря углекислоте, которая работает как катализатор, всасываться в кровь. Вот алкоголь попал в кровь, т.е. спирт, и разносится очень быстро по всему организму. Эритроциты, это такие клетки крови, они в присутствии молекул этанола образуют склейки, получаются достаточно массивные шарики, которые закупоривают капилляры по всему организму. Начинается обезвоживание. Тем временем в желудке вырабатываются ферменты при активном участии спирта, которые действуют на его стенки. Но мы сейчас это пропустим.

Поговорим про то, что мозгу приходится очень не просто, потому что там капилляры небольшие, и склейки эритроцитов, про которые я сказал, они не страшны крупным сосудам, а мелким зато очень страшны. Собственно, состояние лёгкого опьянения, которое мы испытываем — это…

Н. Асадова Гипоксия…

Е. Быковский Гипоксия, да — кислородное голодание мозга. А при кислородном голодании неизбежно часть клеток погибнет. Эйфория при этом возникает потому, что у нас частично высшие когнитивные функции отключаются и поэтому мы перестаём думать о неприятном. Сколько там клеток погибнет от бокала шампанского — немного. Можно не учитывать. От бутылки шампанского — уже прилично. Не злоупотребляйте алкоголем.

Н. Асадова Давай тогда ещё вопрос, который нам в предыдущей передаче приходил от Насти из Москвы: «Откуда вообще клетка знает когда ей нужно делиться?».

Е. Быковский Отличный вопрос, он частично пересекается с темой нашей первой половины передачи. Настя, со стороны кажется всем, что всякие разнообразные процессы внутри клетки происходят без всякой видимой причины. Как бы вдруг. Вот клетка сидела-сидела, вдруг решила поделиться. Нет. В действительности реакция начинает идти только после включения определенных звоночков, которые дают команду «на старт». Они могут приходить как извне клетки, так и изнутри, из разных источников. Сигналы эти в свою очередь запускаются своими командами, те своими. Там для клетки характерны такие сложные каскадные сигнальные пути. Эта организация со множеством обратных связей позволяет производить тонкую настройку всех параметров. Не все из этих цепочек сигналов изучены полностью, но некоторые процессы исследователи знают довольно хорошо. В частности, Нобелевская премия за 2001 год по физиологии и медицине была присуждена именно как раз за открытие молекул, которые говорят клетке, когда ей надо делиться. Дирижерами оказались такие белки циклины и циклин-зависимые киназы, которые взаимно активируют друг друга, запуская необходимые каскады.

А реакции клетки на разнообразные стимулы могут быть очень сложными. Ключевая программа, которая определяет направление ответа, всегда заложена в ДНК. Программа есть. Согласно ей клетка действует. Вот ей запустили сигнал, сказали — делись. Она посмотрела, как там надо делать в ДНК, вот так и сделаем. В общем, эта программа определяет, какие решения клетка будет принимать в течение жизни, сколько именно она будет жить.

Н. Асадова Спасибо. Я думаю, что больше мы не успеем ответить на вопросы. Но вы продолжайте их присылать на телефон для СМС +79859704545. Мы с Егором, как обычно, задержимся минут на 10 и запишем ваши вопросы.

Е. Быковский Не все.

Н. Асадова Понравившиеся нам вопросы из тех, которых ещё не было. А мы сейчас с вами прощаемся до следующей пятницы. Всего доброго и хороших вам выходных.

Е. Быковский До свидания, дорогие друзья. Хороших выходных.

Комментарии

0

Пожалуйста, авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оставить комментарий.

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире