В Долгопрудном создадут лабораторию "умных" материалов для изучения мозга
В Московском физико-техническом институте появится новая научная площадка, посвящённая разработке материалов с заранее заданными свойствами. Лаборатория в подмосковном Долгопрудном станет частью Центра изучения мозга и сознания МФТИ. Основное внимание исследователи планируют уделить технологиям, которые помогут глубже изучать работу нервной системы и приблизиться к пониманию природы сознания.
Проект поддержал российский предприниматель Владимир Потанин. На развитие Центра изучения мозга и сознания он направил 500 миллионов рублей из личных средств. Часть финансирования предназначена именно для запуска лаборатории. Ожидается, что она начнёт работу уже этой осенью.
Материалы с программируемыми характеристиками
Учёные будут создавать так называемые "умные" материалы - искусственные структуры, свойства которых можно заранее настраивать под конкретную задачу. Подобные разработки способны реагировать на свет, электрические сигналы, давление или другие внешние воздействия. Их характеристики могут существенно отличаться от свойств веществ, встречающихся в природе.
Одним из перспективных направлений станет использование таких материалов в нейроморфных системах. Это технологии, которые имитируют принципы работы нервной ткани. В подобных компьютерах отдельный элемент может выполнять функции, напоминающие работу нейрона: принимать сигнал, обрабатывать его и передавать дальше.
По словам руководителя лаборатории физики программируемых функциональных материалов Центра изучения мозга и сознания, нобелевского лауреата Константина Новосёлова, новые материалы особенно интересны для создания интерфейсов между электронными устройствами и живыми организмами. Такие системы могут позволить регистрировать активность мозга с большей точностью и изучать реакцию нервной ткани на различные воздействия.
От фундаментальной науки к новым технологиям
Главная задача лаборатории не сводится к созданию отдельных приборов. Исследователи намерены заниматься фундаментальной наукой - искать закономерности, которые лежат в основе работы мозга, обработки информации и формирования сознания.
Современная нейробиология уже накопила большой объём данных о строении нервной системы, однако многие базовые вопросы остаются без ответа. Учёным предстоит выяснить, каким образом миллиарды нейронов объединяются в единую систему, как возникают память, мышление и субъективный опыт, а также каким образом мозг кодирует и распознаёт сигналы.
Новые материалы могут расширить возможности экспериментов. Например, на их основе можно будет создавать чувствительные фотодетекторы, миниатюрные сенсоры и электронные элементы, способные взаимодействовать с биологическими тканями. В перспективе подобные разработки могут применяться для наблюдения за отдельными процессами в мозге в режиме реального времени.
Основа для нейроморфных компьютеров
Одним из возможных применений разработок станут нейроморфные компьютеры. В отличие от традиционной вычислительной техники, такие системы строятся по принципам, напоминающим работу мозга: обработка и хранение информации в них могут быть тесно связаны, а вычисления выполняются параллельно.
Это направление рассматривается как перспективное для искусственного интеллекта, робототехники и медицинской диагностики. Материалы с программируемыми свойствами способны стать физической основой для искусственных синапсов и нейронов. В дальнейшем они могут помочь создавать энергоэффективные устройства, которые быстрее распознают изображения, звуки и сложные сигналы.
Однако до появления полноценного искусственного мозга ещё далеко. Перед исследователями стоят серьёзные задачи: необходимо научиться стабильно управлять характеристиками материалов, обеспечить их долговечность и совместимость с живыми клетками, а также разработать методы безопасной передачи сигналов между электроникой и нервной тканью.
Почему важны двумерные материалы
МФТИ располагает научной и приборной базой для работы с современными функциональными структурами. В институте активно исследуют двумерные материалы, включая графен. Этот материал состоит практически из одного слоя атомов углерода и отличается высокой прочностью, электропроводностью и чувствительностью к внешним воздействиям.
За исследования графена Константин Новосёлов и Андрей Гейм получили Нобелевскую премию по физике в 2010 году. Опыт, накопленный при работе с двумерными структурами, может быть использован для создания новых компонентов сенсоров, фотодетекторов и нейроинтерфейсов.
Одним из демонстрационных образцов уже стал фотодетектор на основе функциональных материалов. В будущем устройства такого типа могут найти применение в гаджетах, роботизированных системах и кибернетических организмах. Пока речь идёт о научных прототипах, но именно такие эксперименты закладывают основу для последующих прикладных разработок.
Долгосрочный научный проект
Центр изучения мозга и сознания рассчитывает работать с горизонтом планирования в 10-15 лет. Для фундаментальных исследований это сравнительно реалистичный срок: многие открытия требуют длительных экспериментов, проверки гипотез и создания принципиально новых инструментов.
Особенность проекта заключается и в источнике финансирования. Частный бизнес редко вкладывает значительные средства в исследования, результат которых невозможно быстро превратить в коммерческий продукт. В данном случае поддержка направлена на область, где практические технологии могут появиться лишь спустя годы.
Владимир Потанин отмечает, что Россия должна сохранять сильные позиции в стратегических направлениях науки, связанных с искусственным интеллектом, новыми материалами и технологиями изучения человека. Именно сочетание этих сфер может определить развитие медицины, вычислительной техники и робототехники в будущем.
Первый проект нового центра
Лаборатория "умных" материалов станет первым крупным проектом Центра изучения мозга и сознания. В дальнейшем на его базе планируется развитие и других исследовательских направлений, связанных с нейронауками, физикой, биологией и инженерией.
Важным результатом работы должны стать не только отдельные изобретения, но и универсальные научные решения. Созданные материалы, методы измерений и экспериментальные установки смогут использовать специалисты из разных областей. Это позволит ускорить исследования мозга и сформировать междисциплинарную научную среду.
Потенциально разработки лаборатории могут оказаться востребованы в нейромедицине. Они способны стать основой для более точных диагностических устройств, систем реабилитации после травм и технологий, помогающих пациентам управлять протезами или электронными приборами с помощью нервных сигналов. При этом переход от лабораторного образца к медицинскому изделию потребует дополнительных испытаний и строгой проверки безопасности.
На ближайшем этапе учёные сосредоточатся на создании материалов и изучении их физических свойств. Лишь после этого можно будет оценить, какие из разработок лучше всего подходят для контакта с биологическими тканями и регистрации мозговой активности.
Запуск лаборатории в Долгопрудном должен объединить физиков, биологов, инженеров и специалистов по нейронаукам. Такое сотрудничество важно, поскольку современные задачи изучения мозга невозможно решить средствами одной дисциплины. Именно на пересечении фундаментальной физики, биологии и вычислительных технологий могут появиться инструменты, которые приблизят науку к пониманию самого сложного объекта во Вселенной - человеческого мозга.
