«Отчего люди не летают так, как птицы?», – вопрошала Катерина из пьесы Островского «Гроза». Мы летать сами не научились, но использовать соответствующие устройства – реально.
От крыльев до биороботов
Одним из первых таких устройств мог стать орнитоптер – летательный аппарат с машущими крыльями, который пытался построить Леонардо да Винчи. У него оказалось немало последователей, в том числе и в России. И в итоге это привело к развитию авиации и космонавтики.
В наши дни к природоподобным технологиям (ППТ) принято относить биои нанотехнологии, а также в какой-то степени науки и технологии, связанные с искусственным интеллектом.
Владимир Путин поручил правительству разработать план развития ППТ, включающий в себя создание научной инфраструктуры, подготовку кадров и проведение исследований в этой сфере. Реализация программы поручена сотрудникам Курчатовского института.
29 ноября прошлого года, в процессе выездного заседания Комитета по науке, образованию и культуре, президент Научно-исследовательского центра «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук рассказал, что создание биоподобной техносферы способно решить проблему доступа к природным ресурсам, которые в сегодняшнем мире довольно ограничены. Использование такого рода технологий не повредит экологии, при этом сохраняя баланс между биосферой и техносферой.
Сегодня в исследовательско-технологическом центре конвергентных нано-, био-, информационных и когнитивных наук и технологий Курчатовского института реализуется проект по мембранным белкам, способным влиять на клеточные процессы. По мнению специалистов, это найдёт применение в разработке промышленных биотехнологий, биосенсорных устройств, а также биороботических антропоморфных систем.
Органы из банка
Трансплантация органов и тканей всегда являлась проблемой, так как сложно отыскать подходящего донора. В качестве решения проблемы предлагаются такие методики, как клонирование, пересадка органов от животных, использование собственных клеток пациентов. Ещё сложнее обстоит дело с протезами конечностей. Каким бы крутым и навороченным ни был современный протез, он всё равно никогда не сможет полностью заменить владельцу отсутствующую руку или ногу.
В Российском научном центре хирургии имени академика Б. В. Петровского ППТ широко используются для лечения пациентов. По мнению заместителя директора РНЦХ по научной работе Ильи Ерёмина, это шаг вперёд в сфере протезирования, что на данный момент весьма актуально, учитывая военно-политическую обстановку. «Мы в нашем центре хирургии активно используем имплантируемые биопротезы, биополимеры, биобинты, биоспинальные кейджи, протезы с биодеградируемым каркасом для аорты, а также нейромышечные интерфейсы и кардиостимуляторы», – рассказывает он.
К примеру, если взять у пациента стволовые клетки и поместить их на каркас, а затем отправить в биореактор, то из этих клеток можно впоследствии вырастить фрагмент живой ткани или даже целый искусственный орган, который будет полностью совместим с организмом «донора». Напечатав ткань на трёхмерном принтере, можно использовать её для тестирования лекарственных препаратов. Скажем, если у человека аллергия на какое-то лекарство, то это выявят ещё до того, как оно попадёт в организм.
Настоящий прорыв в данной области был совершён в конце 2013 года учёными из новосибирского НИИ травматологии и ортопедии (НИИТО). Они разработали технологию, позволяющую создавать полимерные волокна,из которых впоследствии можно вырастить синтетические органы, способные заменять натуральные аналоги.
В основе этой технологии лежит так называемый метод электроформования. На раствор из полимеров воздействуют мощным электрическим полем, вследствие чего они вытягиваются в тонкое волокно. Когда оно «оседает», из него можно сформировать «каркас», который затем заполняется новыми клетками, в том числе и органического происхождения. В перспективе искусственно выращенные органы можно будет соединять между собой, полностью имитируя работу организма конкретного пациента.
Однако, как утверждает Ерёмин, в будущем люди просто смогут сдавать образцы своих клеток и тканей в специальные банки, чтобы впоследствии можно было легко заменить утраченный или повреждённый орган. Таким образом, проблема протезирования и биологической совместимости будет решена.
Имитация нейронов
Но одно дело если речь идёт о сердце или печени. А если... о мозге?
Как известно, работа мозга зависит от нейронов – многочисленных клеток, из которых он состоит. А что делать, если они необратимо повреждены?
Несколько лет назад специалистам из Томского государственного университета совместно с коллегами из пяти стран удалось создать искусственную копию человеческого мозга. Проект был реализован международной лабораторией Центра превосходства «Интеллектуальные технические системы». Сначала учёные построили математическую и компьютерную модели мозга человека. После этого создали устройство, содержащее перцептроны (искусственные нейронные сети).
Хотя искусственные нейросети существуют уже довольно давно, проблема в том, что для имитации каждого нейрона необходимо около 20 транзисторов. Это приводит к повышенному потреблению энергии и выделению большого количества тепла, что нежелательно.
Российские учёные предложили использовать нанопроводы из золота, что позволяет сэкономить потребление энергии. Для этого требуется всего лишь охладить нейронные массивы до криогенных температур, то есть близких к абсолютному нулю. Но как это поможет пациентам с мозговыми нарушениями? Никак не поможет.
Не исключено, что вернуть пациента к полноценной жизни сможет технология, разработанная специалистами Института биологии и биомедицины Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского. Она имитирует сигналы, поступающие от биологических нейронов, и таким образом восстанавливает работу повреждённых участков мозга.
Учёным ННГУ удалось определить параметры, при которых биологическая нейронная сеть и источник нейроноподобных сигналов начинают функционировать как единое целое.
Исследователи взяли фрагмент гиппокампа мыши (гиппокамп – участок головного мозга, отвечающий за память, обучение и пространственную ориентацию) и подключили к нему генератор, воспроизводящий сигналы, имитирующие мозговую активность. Генератор стимулировал клетки, а те «сигнализировали» в ответ.
«Развитие инвазивных технологий нейроинтерфейсов с замкнутыми цепями привело к значительным достижениям в восстановлении нейронных связей,– говорит руководитель проекта, доцент кафедры нейротехнологий ННГУ Альбина Лебедева. – Эти устройства предлагают более тонкие и точные настройки стимуляции, которые могут адаптироваться к изменениям физиологического состояния, что имеет решающее значение для восстановления функций нервной ткани».
Однако понятно, что если мы хотим внедрить в живые ткани что-то искусственное, тут не обойтись без имплантов. Можно заранее представить себе этот «ад будущего», в котором человек станет зависеть от имплантированного чипа! И если тот вдруг даст сбой или окажется несовместим с биологической тканью, его носитель может превратиться в маньяка или «овощ».
«В рамках нашего проекта мы разрабатываем нейрогибридный чип для улучшения памяти у лабораторных крыс,– рассказывает Лебедева.– Он будет состоять из имплантируемых внутрь гиппокампа крысы электродов, которые считывают нейрональную активность.
К этим электродам будет подключаться управляющее устройство со встроенными обучаемыми нейронными сетями, которые смогут в режиме реального времени регулировать нейрональную активность в мозге животного».
А вот об имплантируемых системах для человека пока речи не идёт, успокаивает Лебедева. «Разработка имплантов для человека – это всегда сложный путь, требующий предварительных тщательнейших фундаментальных исследований, а затем уже прикладных, включающих в себя доклинические и клинические испытания».
По мнению консультанта проекта, профессора Мадридского политехнического университета Александра Писарчика, это настоящий научный прорыв, открывающий широкие возможности в области нейроморфных приложений: от разработки «умных» роботов до создания медицинских устройств нового поколения. Но здесь закономерно возникает вопрос: как далеко может зайти использование данных технологий, ведь в случае с роботами уже не в биологический организм что-то внедряют, а, напротив, в искусственный механизм «подсаживают» нечто «живое»?
«Безусловно, любая нейрогибридная технология открывает широкие возможности для разработок в области биологоправдоподобных интеллектуальных систем, – считает Лебедева. – Именно подобные фундаментальные исследования раскрывают новые механизмы и представляют новые протоколы работы и взаимодействия искусственных нейронов с живыми нейронами мозга лабораторных животных».
То есть пока никто не собирается использовать в таких устройствах клетки человека. Для создания «мыслящего» робота вполне достаточно мозговых нейронов мыши или кролика.
Природу не заменишь?
Итак, стоит ли рассматривать ППТ как панацею? Как выяснилось, здесь немало нюансов. Например, глава Курчатовского института Михаил Ковальчук указывает на то, что в целом у людей слишком мало знаний о природоподобных технологиях, и многие не могут составить о них адекватного представления.
«Да, мы говорим о технологическом воспроизведении систем живой природы, что ведёт к существенному обновлению сфер энергетики, медицины, биологии, материаловедения,– заявляет учёный.– Но мы не знаем, как это в итоге повлияет на качество жизни человека».
В свою очередь коллега Ковальчука, кандидат технических наук, доцент МГТУ имени Н. Э. Баумана Юрий Ткаченко, на том же заседании Комитета по науке, образованию
и культуре предположил, что хотя при помощи технологий можно воспроизвести структуру биологического организма, среду обитания живых существ, включая человека, воссоздать практически невозможно, поскольку заранее запрограммировать все процессы, в ней идущие, нельзя.
Сейчас много говорят и пишут об успехах клонирования. А что утверждает по этому поводу Церковь? Ведь природоподобные технологии – это прежде всего подражание Богу.
«Развитие биомедицинских технологий значительно опережает осмысление возможных духовно-нравственных и социальных последствий их бесконтрольного применения...»,– говорится в статье «Жизнь как священный дар» (Биоэтика. Руководственные документы Русской Православной Церкви. – СПб.: Издательство СанктПетербургской духовной академии, 2024).
«Человек всегда изучал окружающий мир и старался творчески применять получаемые при этом знания. Это – естественный процесс, – такое мнение высказывает клирик храма Живоначальной Троицы (Москва, г. Троицк) протоиерей Сергий Марук. – Ведь все мы, исходя из библейского понимания, созданы по образу Божию. А Бог является величайшим Творцом. В какой-то степени и человек также призван к творчеству, точнее сотворчеству с Богом. В подобном сотворчестве не обязательно видеть конкуренцию с Ним или попытку исправления созданной Им природы. Кстати, если придерживаться библейского понимания истории, то мир, в котором мы ныне живём, не совсем тот, который изначально был сотворён и о котором Сам Бог сказал, что он «весьма хорош». Он является следствием грехопадения человека, поэтому в нём присутствуют страдания, болезни, смерть... Тем не менее попытки исправить дефекты этого мира при помощи технологий не являются изначально плохими или хорошими, праведными или греховными сами по себе. Главное – зачем эти технологии применяются. Например, чтобы исцелить ранее неизлечимого больного или чтобы превратить человека в полностью подконтрольного чьей-то воле биоробота?»
«Нужно осторожно вмешиваться в природные процессы, – такой комментарий дал на прошедшем в ноябре 2023 года в Сочи III Конгрессе молодых учёных заместитель президента Российской академии образования, академик Российской академии наук Геннадий Онищенко. – Занимаясь данной сферой, мы не можем игнорировать проблемы, связанные с этикой. И прежде чем создавать технологии, подражающие природе, необходимо понять, куда это нас приведёт».
С этими словами трудно не согласиться!
Ирина ШЛИОНСКАЯ