Головной мозг считается самым сложным органом человеческого тела. Он контролирует работу всего организма с помощью нейронов, число которых, по оценкам ученых, достигает 80 — 100 миллиардов. В то же время этот орган до сих пор не до конца изучен, поэтому, когда речь заходит о диагностике связанных с ним заболеваний, необходимы самые продвинутые технологии. С помощью каких устройств исследуют наш мозг? В чем их главные недостатки? И при чем здесь квантовые технологии? Об этом рассказал руководитель компании QLU, автор блока по квантовой сенсорике в Дорожной карте по развитию в России сквозной цифровой технологии (СЦТ) «Квантовые технологии» Максим Острась.
Сначала — диагностика
Один из наиболее распространенных методов исследования нарушений работы мозга — электроэнцефалография (ЭЭГ). С ее помощью исследуют электрическую активность, создаваемую нашими нейронами. Для этого на голове пациента размещают электроды. Однако у такой технологии есть недостатки. Дело в том, что между нейронами и электродом проходят ткани, плохо пропускающие электрические импульсы. Записанные сигналы получаются слабыми, что приводит к трудностям в диагностике.
Более эффективными считаются устройства, улавливающие магнитные поля, которые тоже возникают в результате электрической активности мозга. Поскольку эти поля легко проходят через любые ткани и при этом не искажаются, распознать их гораздо легче. Для их визуализации используют метод магнитной энцефалографии (МЭГ).
До сих пор основными приборами, которые для этого используют в магнитной диагностике, служат так называемые СКВИДы (от англ. SQUID, superconducting quantum interference device — сверхпроводящий квантовый интерферометр). На сегодня эти датчики считаются самыми чувствительными в мире. Но для стабильной работы их нужно охлаждать почти до абсолютного нуля в специальной криогенной системе, что делает эти устройства дорогими и сложными в обслуживании. Поэтому ученые продолжают поиски более практичных и экономически доступных технологий для магнитной диагностики.
Уникальный кристалл
Интересное решение предложили специалисты компании QLU и Российского квантового центра (РКЦ). Ученые создали высокочувствительные магнитные сенсоры, способные работать при комнатной температуре. Причем они могут оказаться намного дешевле СКВИДов.
Главная особенность устройств заключается в материале. В качестве основы для сенсоров ученые использовали кристаллы железоиттриевого граната (ЖИГ). Соединение обладает специфическими магнитными и диэлектрическими свойствами, отмечает эксперт. В кристаллах можно создать особое состояние, благодаря ему элемент становится крайне чувствительным к самым слабым изменениям магнитного поля.
«На первый взгляд, эти приборы похожи на классические сенсоры, которые работают по тому же принципу, что и феррозонды — датчики с сердечником из магнитного сплава железа и никеля. Только у нашей разработки вместо них работает сердечник в виде пленки из феррита-граната», — рассказывает руководитель проекта Максим Острась.
Убедиться в эффективности технологии исследователям удалось с помощью эксперимента, проведенного на МЭГ. Ученые расположили датчики у затылков испытуемых, где находится зрительная кора, и следили за регистрацией альфа-ритма (от 8 до 13 Гц) — биоэлектрической активности мозга, возникающей, когда человек находится в состоянии покоя. Выяснилось, что новые сенсоры способны регистрировать слабые электромагнитные источники головного мозга.
«Мы получили хорошо различимый ритм и подтвердили, что датчик обладает достаточной чувствительностью, чтобы считывать сигналы. До недавнего времени на такое были способны лишь квантовые сенсоры, в том числе СКВИДы. Но наша система отличается тем, что находится на стыке классических и квантовых технологий», — говорит эксперт.
Надежный метод
Авторы разработки уверены, что новые сенсоры помогут эффективно проводить диагностику заболеваний мозга, в том числе локализовать очаги эпилепсии. Эта болезнь затрагивает определенные участки головного мозга, и зачастую даже современные средства диагностики не позволяют точно определить, в какой именно области возникает нарушение.
«Против эпилепсии есть препараты, но, к сожалению, иногда болезнь не поддается медикаментозному лечению. Единственным решением для пациента может стать операция. Хирурги удаляют участок головного мозга, который запускает патогенную активность. И здесь важно понять, где именно эта зона находится. Но методы анализа ЭЭГ и даже фМРТ не позволяют с точностью их определить», — объясняет специалист.
«В мире магнитная энцефалография становится золотым стандартом в диагностике. К ней можно добавить анализ МРТ или компьютерной томографии, объединить полученные данные со снимками, чтобы хирург смог точно определить пораженные зоны и уже затем перейти к операции», — подчеркивает Максим Острась. Кроме того, такой подход будет эффективен для ранней диагностики нейродегенеративных заболеваний, а также для мониторинга психических расстройств, в том числе аутизма.
Для медицины и не только
Одной медициной применение таких датчиков не ограничивается. В будущем они будут полезны и, например, в геологической разведке. Исследуя слабые магнитные поля с помощью сверхчувствительных сенсоров, можно искать полезные ископаемые, в том числе нефть.
«С навигацией по магнитному полю связан большой класс задач. На самом деле даже ученые пока не знают обо всех возможностях, — считает руководитель проекта. — Они активно проводят исследования, чтобы оценить, где их можно применить, так как коммерческие устройства для магнитной энцефалографии появились совсем недавно».
На квантовом уровне
Публикация об этой разработке вызвала большой резонанс, отмечает Максим Острась.
Почему же эти датчики нельзя назвать квантовыми? Ведь, по идее, устройства можно сделать сверхчувствительными именно за счет технологий в этой области. Обычно такие устройства работают благодаря особым квантовым эффектам, повышающим уровень чувствительности, недостижимый для классических сенсоров.
«В нашем исследовании мы работаем с так называемыми когерентными спиновыми состояниями в магнитоупорядочных средах, таких как пленки из железо-иттриевого граната. С одной стороны, эти состояния можно причислить к квантовой сенсорике. Природа этого взаимодействия квантовая. Но в то же время это макроскопический объект, не связанный с такими явлениями, как, например, суперпозиция или квантовая запутанность. В итоге получается так, что уровень чувствительности, которого нам удалось достичь, сопоставим с квантовыми решениями», — делится Максим Острась.
Добиться такого эффекта, по словам ученого, было сложно. Понадобилось создать определенные условия и выработать технологические режимы, позволившие без дефектов создать сердечник для сенсоров. Эксперименты проводили в Российском квантовом центре (РКЦ) в уникальной установке — «магнитной комнате», изолированной от магнитного поля Земли и других шумов.
В настоящий момент технология уже прошла этап научно-исследовательских работ. Чтобы внедрить ее в медицинскую практику, предстоит провести опытно-конструкторские работы, клинические исследования и сертификацию, поясняет эксперт.
От теории к практике
Еще один проект в этой области, которым занимаются специалисты компании QLU и РКЦ, связан с регистрацией сигналов от магнитных наночастиц.
«В медицине есть технологии, позволяющие создавать наноконтейнеры. Когда лекарство помещают в биологическую капсулу для целенаправленной доставки в пораженный участок в организме человека. Например, для лечения опухоли. Но как проверить, дошел ли препарат до нужной нам области?», — рассказывает Максим Острась.
Для этого ученые предлагают модифицировать капсулы магнитными частицами. В таком случае можно будет поймать сигнал от наноконтейнеров, отследить их положение в организме и воздействовать на эти капсулы магнитным полем, чтобы открыть их там, где это нужно.
«Это интересная научная задача на стыке физики, биологии, медицины и новых материалов. Мы работаем над ней с биологами, в частности, с профессором Сколтеха и Лондонского университета королевы Марии Глебом Сухоруковым», — говорит эксперт.
Все эти устройства было бы невозможно представить без теоретической базы, разработанной много лет назад, считает ученый. Благодаря стремительному развитию инженерных технологий специалисты могут реализовывать те изыскания, которые были предложены еще в прошлом веке.
«Тот же квантовый компьютер был придуман как концепция в 1980-х годах. Но только сейчас, благодаря появлению новых методов литографии и лазерной техники удалось создать необходимые условия, чтобы воплотить наработки в жизнь. Самое главное сейчас — продолжить наращивать материально-техническую базу и соответствующие компетенции. А уж этот вопрос со временем можно решить», — резюмирует эксперт.
Анна Шиховец
