"РГ" рассказывает о лауреатах премии президента для молодых ученых

Мы давали добро Маску

Работы Владимира Максименко из университета "Иннополис" можно без преувеличения назвать прорывными. Достаточно сказать, что они опубликованы в одной из "дочек" знаменитого журнала Nature. Или такой любопытный факт. "Нашу группу попросили дать рецензию на статью об исследованиях мозга Илона Маска и его компании "Нейролинк", - говорит Максименко.

Сегодня именно мозг стал для мировой науки главным объектом исследований. В работы вкладываются многие миллиарды долларов. И хотя уже удалось картировать большинство зон мозга, остается тайной, как же он работает. Как и где рождается мысль, что такое память и т.д. Задача настолько заманчива, что на эту область пришли не только миллиардеры. На нее переключаются многие известные ученые из других областей знаний, даже Нобелевские лауреаты. Переключился и радиофизик Владимир Максименко. Почему?

- Моя кандидатская диссертация к мозгу отношения не имела, была посвящена динамическим режимам в сложных системах, - говорит он. - Но оказалось, что результаты можно применить для анализа работы мозга. Тогда мы начали взаимодействовать с коллегами из Нидерландов и Германии. Они изучали, как возникают приступы эпилепсии и как можно их блокировать.

Сегодня к тайнам мозга у науки есть два основных подхода. Первый - использует инвазивные методы. Они, кстати, применяются в работах Маска. В мозг вживляются электроды, которые "слышат", как взаимодействуют отдельные нейроны. И хотя в принципе удается зафиксировать "беседу" даже миллионов нейронов, но это все равно мизерная доля. Ведь в мозге их десятки миллиардов. А чтобы "услышать" такую многоголосицу, придется превратить голову в решето. Можно действовать иначе. Использовать обычную ЭЭГ, которая зафиксирует суммарный сигнал больших групп нейронов. Но тогда сложно понять, какую информацию о работе отдельных нейронов несут эти суммарные сигналы. И опять непонятно, что происходит в мозге.

- На основе экспериментальных работ коллег мы предложили гипотезу, - говорит Максименко. - Суть в следующем. Чтобы один нейрон мог передать сигнал другому, их активность должна совпадать по фазе. Нейрон способен принимать сигналы только в определенные моменты времени, а в остальное он "недоступен для связи". Благодаря фазовой подстройке, импульсы от одного нейрона приходят на другой нейрон всегда в нужный момент времени.

Радиофизик Владимир Максименко переключился на изучение мозга и смог "услышать", о чем переговариваются нейроны. Фото: Из архива Владимира Максименко

Как такое возможно, ведь они живут своей жизнью? Для этого в мозге есть свой механизм. Скажем, мы смотрим телевизор. Один нейронный ансамбль мозга воспринимает картинку, другой - звук. Информацию от каждого надо как-то совместить друг с другом, чтобы получить общую картину о том, что происходит. Так вот этот трюк делают хорошо известные по ЭЭГ альфа, бета, тета ритмы. Именно они синхронизируют фазы различных нейронных ансамблей. Исходя из этой гипотезы, Максименко предложил свою модель работы мозга. В чем ее отличие от многих других?

- Большинство моделей стараются описать работу отдельных нейронов и сформировать из них большие сети, - говорит он. - Но чтобы охватить все десятки миллиардов нейронов мозга, понять, как они взаимодействуют, не хватит мощностей никаких суперкомпьютеров. Но можно построить совершенно другую модель, отказаться от описания работы отдельных нейронов, а работать с их фазой. И вместо сети нейронов построить сеть фазовых элементов.

Кто-то скажет, это всего лишь одна из множества версий о работе мозга. Где доказательства, что она описывает реальные процессы? У Максименко они есть. Они получены на работах по эпилепсии. " Эксперименты на крысах показали, что приступ возникает, когда работа двух групп нейронов (коры и таламуса) совпадает по фазе, происходит синхронизация их активности, - говорит Максименко. - Зная это, можно предотвратить приступ. И понятно как. Как только на приборе появятся первые признаки синхронизации, ее надо разрушить. Такие способы есть, например, электростимуляция слабыми сигналами. Что и показано в экспериментах на животных.

Опухоль строгого режима

Ведущие лаборатории мира постоянно пополняют арсенал методов борьбы с раком. Сразу две новинки предложили молодые кандидаты биологических наук из Института цитологии и генетики СО РАН Евгения Долгова, Екатерина Поттер и Анастасия Проскурина. Обе разработки связаны с химиотерапией, которая, убивая клетки опухоли, наносит серьезный вред здоровым, прежде всего клеткам крови. Сибирским ученым удалось сделать химиотерапию, с одной стороны, более эффективной, а с другой - намного более щадящей. Для этого в напарники "химии" придан созданный этим коллективом на основе ДНК уникальный препарат "Панаген". Его задача активировать собственный иммунитет пациента, чтобы помочь ему бороться с опухолью.

- В норме наша иммунная система не распознает опухоль, поэтому она и размножается. После химиотерапии ее обломки циркулируют в крови и попадают в кишечник. И туда же мы направляем и наш препарат, - говорит Анастасия Проскурина. - Он активирует клетки иммунной системы, которые захватывают обломки опухоли и убивают. Применение этой технологии при лечении рака третьей степени молочной железы повысило в 2,5 раза выживаемость без рецидивов.

Второй технологии лауреаты дали звучное название "Каранахан". На санскрите означает "убивающий причину". И оно точно отражает суть. Ведь наука знает, что первоисточником опухоли служит злокачественная стволовая клетка. Она же виновата и в появлении метастазов. После лечения достаточно уцелеть одной стволовой клетке и она может в любой момент запустить образование новой опухоли. Вот против этой причины и направлен "Каранахан". У каждого даже самого неуязвимого противника есть своя ахиллесова пята. Нашли ее и сибирские ученые. Оказалось, что стволовые клетки опухоли интенсивно захватывают чужие ДНК. На этом свойстве и играет "Каранахан". А в ходе экспериментов выяснилось, что в распорядке питания такой клетки есть окна, когда ее аппетит максимальный. Значит, после проведения химиотерапии для клетки можно подобрать соответствующий режим, чтобы поглощенные ДНК не позволили ей восстановиться и она погибла.

Более того, для каждой опухоли можно подбирать свой график введения препарата, а фактически персональный график лечения. Такой подход позволяет в разы уменьшить дозы химиотерапии, повышает шансы больных на выздоровление и полноценную жизнь после лечения.

Не так съели

Кириллу Антонцу и Антону Нижникову, кандидатам биологических наук из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии и Санкт-Петербургского госуниверситета удалось то, о чем мечтает каждый ученый. Стать первооткрывателями. Они впервые в мире обнаружили у растений специфические белки, которые называются амилоиды. Сейчас к ним в мире особый интерес, так как они связаны с развитием тяжелых, даже летальных болезней, в том числе диабета 2 типа, болезни Альцгеймера, онкологии и т.д. Но, создавая эти белки, природа проявила недюжинную выдумку, дав им, говоря образно, два лика. Амилоиды могут быть не только патогенами, но полезными. Например, они участвуют в формировании долговременной памяти и других жизненно важных процессах. Причем и полезные, и вредные амилоиды рождаются в самом организме из других белков. У каждого варианта свой путь появления на свет, некоторые хорошо изучены.

- Амилоиды обладают уникальными свойствами, прежде всего поразительной устойчивостью, скажем, против них бессильны разные кислоты, щелочи, пищеварительные ферменты, - говорит Антон Нижников. - Но если у животных, человека, некоторых микроорганизмов они основательно изучены, то растения оставались "белым пятном".

Отыскать их оказалось совсем непросто. Для поиска учеными был разработан биоинформатический алгоритм. По сравнению с аналогами он намного более производителен, позволил "вычислить" амилоиды в растениях. Результат стал в какой-то степени неожиданным. Оказалось, что они образуются из так называемых запасных белков семян растений. Причем тех самых, которые постоянно на нашем столе. А потом расчеты подтвердились многими экспериментами.

Зачем природа наделила растения таким механизмом? По словам Нижникова, причина скорее всего в удивительной устойчивости амилоидов, позволяющей семенам противостоять разным угрозам - засухе, изменению температуры и т.д. Словом, задача амилоидов помочь семенам пережить любые стрессы.

Созданные Анастасией Проскуриной, Екатериной Поттер и Евгенией Долговой методы в разы уменьшают дозы химиотерапии. Фото: Из архива Анастасии Проскуриной

- Часто спрашивают, а присутствие амилоидов в пище это польза или вред? - говорит Кирилл Антонец. - Оказалось, что они плохо перевариваются пищеварительными ферментами. Это снижает пищевую ценность семян. Значительная часть продукта просто не усваивается. Каковы эти "потери" в каждой конкретной сельскохозяйственной культуре? Сейчас мы этим занимаемся.

Как ни странно, такой результат дает хороший повод для оптимизма, так как открывает совершенно новые пути для выведения сортов, которые будут усваиваться с гораздо большим КПД. По словам Антонца, с амилоидами может быть связано и такое негативное качество продуктов, как аллергенность. Если это подтвердится, то при селекции можно найти варианты, как снизить уровень амилоидов.

Уши на вырост

На первый взгляд работа кандидата физико-математических наук Евгения Хайдукова из ФНИЦ "Кристаллография и фотоника" РАН далека от медицины, а тем более от выявления подделок денежных знаков. Она про глубокую физику, кристаллографию, фотоны и электроны. Но, например, на основе этих фундаментальных разработок группа ученых из США, Китая и Бельгии сумела впервые в мире напечатать миниатюрную копию человеческого уха прямо в живой мышке.

Российский ученый предложил оригинальную модель работы мозга, которая подтвердилась в экспериментах

- Наши разработки основаны на эффекте преобразования в наночастицах фотонов с меньшей энергией в фотоны с большей энергией. Скажем, инфракрасный свет превращается в ультрафиолет, - говорит Евгений Хайдуков. - Это открывает самые неожиданные возможности в различных сферах. Например, известно, что ультрафиолетовое излучение может инициировать в живом организме различные химические реакции, но его проникновение в биоткани ограничено. Теперь представьте, что в организм мыши мы вводим наночастицы и при облучении инфракрасным светом можем воздействовать на живые клетки ультрафиолетом, испускаемым наночастицами. В результате происходит фотосшивание полимеров. Таким образом можно проводить 3D-печать различных органов сквозь кожу.

По мнению специалистов, разработки Евгения Хайдукова могут быть использованы в медицинской диагностике и терапии, открывают новые возможности в области 3D-технологий, тканевой инженерии, замещая поврежденные органы и ткани полимерными биоматериалами.

На основе разработок Евгения Хайдукова впервые в мире напечатана миниатюрная копия человеческого уха в живой мышке. Фото: Из архива Евгения Хайдукова