В цьому році ми з моїм колегою Андрієм Потоцьким були відзначені Шнобелівської премії з фізики за експериментальну роботу з живими дощовими хробаками.
Шнобелівські премії присуджуються щорічно, щоб відзначити наукові дослідження, які не тільки наводять на роздуми, але також є комічними або незвичайними за своїм характером.
Наша робота змушувала людей сміятися, а потім думати. На перший погляд, це були просто два дослідники, які спостерігали за купою хробаків, погойдуються через гучномовець.
Однак з цих спостережень ми виявили потенціал нового, більш безпечного підходу до з’єднання людського мозку з комп’ютерами.
Що ми зробили?
По-перше, ми заспокоїли дощових черв’яків спиртом, щоб розслабити їх м’язи. Потім ми вібрували їх на гучномовці та використовували лазерне світло, щоб спостерігати брижі на поверхні кожного хробака.
Такі хвилі відомі як хвилі Фарадея. У природі жаби створюють ці хвилі на поверхні води, щоб залучити партнерів. Хвилі Фарадея також можна побачити на що хитається краплі рідини, коли коливання стають досить інтенсивними, щоб зробити поверхню рідини нестабільною.
Дощові черв’яки складаються в основному з води. Отже, ми очікували, що черв’як, що знаходиться під дією заспокійливого, буде вібрувати, як крапля води.
Коли ми включали гучномовець, весь черв’як рухався вгору і вниз. Але коли ми збільшили гучність до рівня вище рівня «нестабільності Фарадея», на поверхні черв’яків з’явилися хвилі Фарадея – як ми та очікували.
Важливо відзначити: навіть якщо ці нелінійні коливання «нестабільні», це не означає, що вони поводяться абсолютно хаотично. Фактично, хвилі Фарадея можна (після довгих проб і помилок) «запрограмувати» на певну поведінку.
Але навіщо нам це робити?
Нервові імпульси дозволяють нервовим клітинам спілкуватися один з одним, переміщаючись по нервовому волокну (або «аксону»). Попередні дослідження висунули гіпотезу, що нервові імпульси рухаються не тільки як електричні сигнали, але і як звукові хвилі, які люди не можуть чути. Ми також вважаємо, що це так.
Звук і вібрація можуть проходити через шкіру, кістки та тканини людини, не викликаючи ушкоджень. Ось як робиться медична ультразвукова візуалізація. «Ультразвук» просто належить до звукових хвиль з частотами вище верхньої межі чутності людини.
Звукові хвилі також можуть утворювати «солітони». Це хвилі, які переміщуються на великі відстані та проходять один повз одного без будь-якої деформації. Вони тримають форму. Водні хвилі в каналах можуть рухатися як солітони, як показано на цьому відео.
Чи можуть ультразвукові коливання передавати думки?
Якщо майбутні дослідження зможуть підтвердити, що нервові імпульси дійсно рухаються по нервових волокнах у вигляді солітонів, наше відкриття хвиль Фарадея у черв’яків, що вібрують стане значно важливішим.
Це може вказувати на здатність виробляти та змінювати нервові імпульси в головному мозку. Створюючи ззовні ультразвукові хвилі на різних частотах, наприклад, на мобільному пристрої, ми можемо запускати хвилі Фарадея в тканинах мозку.
Ми думаємо, що потім вони повинні взаємодіяти з нервовими імпульсами мозку та активувати певні сигнали, відповідні «думок».
Якщо нервові імпульси проходять через мозок у вигляді солітонів, вони зберігають свою форму протягом усього процесу. І це гарантує, що передається «думка» залишається незмінною до тих пір, поки не буде оброблена мозком.
Вищезгаданий процес можна прирівняти до «програмування» людських думок.
Вібрації можна створювати за допомогою смартфона. Ми вважаємо, що хвилі Фарадея, викликані цими вібраціями, можуть потім взаємодіяти з Солітони нервовими імпульсами та, таким чином, використовуватися для управління думками. Зображення надано: Іван Максимов
Можливості інтерфейсів мозок-комп’ютер
Було багато спроб пов’язати людський мозок з комп’ютерами. Все більше число високотехнологічних компаній, в тому числі
Neuralink Ілона Маска, планують імплантувати голчасті електроди в мозок людини для досягнення цієї мети.
Це дозволило б передавати знання – наприклад, як управляти вертольотом або говорити іноземною мовою – від комп’ютера прямо в мозок людини за лічені хвилини. Звичайно, ми все ще далекі від того, щоб навчитися робити щось настільки складне.
Однак цей підхід дуже інвазійний поєднаний зі значними ризиками для здоров’я, такими як запалення тканини головного мозку або пошкодження головного мозку.
Ми вважаємо, що наші результати, які очікують подальшого детального дослідження, можуть допомогти створити більш безпечну звуковий зв’язок між людським мозком і комп’ютерами – таку, яка працює без небезпечних голчастих електродів.
Останнім часом солітони в оптичних волокнах використовувалися для досягнення рекордних світових показників передачі даних. Отже, нервові сигнали, що рухаються як солітони, повинні забезпечувати передачу даних на високих швидкостях в мозок людини.
Що зараз коїться?
Зараз ми не можемо стверджувати, що у нас є переконливі наукові докази того, що хвилі Фарадея можуть взаємодіяти з природними нервовими імпульсами у дощових черв’яків.
Проте наші моделі припускають, що повинно бути сильна взаємодія між двома хвилями, коли частота коливань хвилі Фарадея збігається з частотою нервових імпульсів.
Ніякі сучасні моделі не можуть точно передбачити, які частоти необхідні для такої взаємодії. Щоб це з’ясувати, нам довелося б провести багато-багато тестів методом проб і помилок.
На цей час ми представили наші ідеї кільком дослідним спільнотам в області нейробіології та отримали в цілому позитивні відгуки. Зрештою, ми сподіваємося, що наша робота може бути корисна високотехнологічним компаніям, а також нашим колегам, які займаються аналогічними питаннями.
Але поки це триває.
Ця стаття перевидана з The Conversation за ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.