Всё по науке

Десять самых выдающихся открытий и изобретений в 2022 году

Юрий Селивёрстов

кандидат медицинских наук, член образовательного комитета Европейской секции Международного общества по болезни Паркинсона и двигательным расстройствам

1. Нейропротез для декодирования речи

Это очень актуальная тема для пациентов, у которых по каким-то причинам, чаще всего либо вследствие инсульта, либо вследствие травм, теряется возможность двигать не только руками и ногами, но и мышцами, участвующими в образовании речи. Такое состояние наблюдается также при боковом амиотрофическом склерозе — еще одном тяжелом заболевании, которое у всех на слуху. Невозможность продуцировать произвольную речь при сохранном мышлении и интеллекте называется анартрией.

Чтобы людям облегчить жизнь и общение с окружающими, предлагались и продолжают разрабатываться различного рода так называемые интерфейсы, то есть способы взаимодействия людей с окружающим миром. Большинство из них объединяет общий подход: перемещение курсора по таблице с буквами для набора слов, что позволяет таким образом общаться. Это можно осуществить, например, с использованием устройств, отслеживающих движения глаз (движения глаз нередко не страдают при таких ситуациях). Второй способ — это система на основе так называемых когнитивных потенциалов Р-300. Третий способ — имплантация электродов на поверхность головного мозга в область сенсомоторной коры для того, чтобы можно было декодировать намерение двигать курсором.

Но управление этими интерфейсами требует больших усилий со стороны пациента, нередко очень проблематично и занимает много времени, что снижает эффективность такого способа общения.

Было бы неплохо иметь способ, который позволяет напрямую декодировать из коры, которая контролирует речь, целые слова, а не буквы и не намерение двигать курсором.

Исследования в этом направлении, безусловно, велись и раньше, до недавнего времени это позволяло, например, при помощи двухканального микроэлектродного устройства декодировать из коры какие-то отдельные фонемы, но, опять же, не полные слова.

И вот в начале этого года в журнале NEJM (New England Journal of Medicine) было опубликовано исследование, где пациенту 36 лет решили применить новый способ декодирования речи: создание потока речи в реальном времени на основе многоканальной регистрации нейронной активности соответствующих центров коры головного мозга. В возрасте 20 лет этот человек перенес очень обширный инсульт в области ствола головного мозга, из-за чего потерял возможность двигать руками, ногами и говорить. При этом его когнитивные функции были в норме.

Для регистрации нейронной активности применялась так называемая электрокортикография: на поверхность головного мозга в субдуральном пространстве укладывалась электродная решетка размером 6,7 на 3,5 см, которая содержала с высокой плотностью 128 плоских электродов. Охват электродов позволял осуществлять регистрацию сигналов из нескольких областей коры, которые задействованы в обработке речи. Наружу через кость и кожу был выведен порт, к которому подсоединялся кабель, чтобы можно было на компьютере считывать и обрабатывать сигналы с этого нейронного имплантата с использованием алгоритма на основе машинного обучения. Для повышения эффективности декодирования в алгоритме учитывались лингвистические особенности английского языка, а именно тот факт, что в этом языке некоторые слова встречаются чаще в определенных последовательностях.

Нейронная активность регистрировалась в частотном диапазоне от 70 до 150 Гц. В течение 81 недели было проведено 50 сеансов тренировки системы по распознаванию и по анализу регистрируемой нейронной активности. В среднем в течение каждой сессии собиралось около 27 минут нейронной активности.

Задания для тренировки системы состояли в том, что целевое слово или предложение представлялось участнику визуально в виде текста на экране, а затем участник пытался воспроизвести (произнести мысленно и вслух) это целевое слово или предложение.

В задании на изолированные слова участник пытался произнести отдельные слова из заранее подготовленного набора 50 английских слов. Всего собрано 22 часа данных из 9800 попыток выполнения задания с изолированными словами.

В задании на составление предложений пациент пытался произнести предложения из набора 50 английских предложений, состоящих из упомянутого набора 50 слов. В каждом испытании участнику предъявлялось целевое предложение, и он пытался произнести слова в этом предложении (по порядку) с максимально возможной скоростью. На протяжении всего испытания последовательность слов, расшифрованная на основе нейронной активности, обновлялась в реальном времени и отображалась в виде обратной связи с участником.

Этому алгоритму удалось в 98% случаев верно определить слово, которое человек пытался произнести. В приложении к статье есть очень показательное видео, где человек пытается про себя произнести слово или фразу, внешне это сопровождается неким мычанием, потому что он всё равно пытается какой-то звук произвести. И на экране видно, как, по сути дела, появляется фраза, которую он мысленно произносил. Расшифровка предложений происходила со средней скоростью 15,2 слова в минуту.

Это очень важный шаг вперед в плане возможности обеспечения коммуникации людям, у которых потеряна возможность говорить, при помощи записи корковой активности электрода, который помещается прямо на поверхность головного мозга.

2. Электростимуляция для тех, кто парализован и не может ходить

Электростимуляция спинного мозга или его корешков изучается для реабилитации пациентов со спинальной травмой, то есть травмой спинного мозга, уже очень давно. Здесь важно оговориться, что речь идет именно о людях со спинальной травмой, и при том с травмой, при которой очаг повреждения располагается выше, чем десятый грудной сегмент спинного мозга.

Ходьба — это очень сложный двигательный акт, который складывается из активности нескольких центров. Самый низший центр — это как раз центр ходьбы, располагающийся в спинном мозге, мы все с ним рождаемся. И поэтому, если ребенка, которому, например, пять месяцев, поднять и сделать так, чтобы его стопы касались пола или какой-то опоры, у него автоматически запускается рефлекс ходьбы. Но это будет неполноценная ходьба, естественно. Это лишь движения, которые формируют базис для ходьбы. С одним этим центром человек не пойдет. Чтобы он пошел, необходимо, чтобы были зрелыми и функционировали другие центры, которые располагаются выше, — это ствол головного мозга, так называемые базальные ядра и кора.

Ходьба возможна, когда сигнал между этими центрами хорошо распространяется. Если по каким-то причинам целостность этой системы нарушается, ходьба тоже страдает. При спинальной травме нарушается прохождение сигнала от более высоких центров к самому низкому центру ходьбы. И задача самого низкого центра ходьбы, по сути дела, в том, чтобы дать электроимпульс конкретным мышцам ног и туловища, которые необходимы, чтобы ходьба совершилась. Для того чтобы эту функцию восстановить, было предложено применить такой механистический подход: а что если мы искусственно простимулируем электрическим током эти центры?

Надо сказать, что сама по себе спинальная электростимуляция используется уже очень давно по другим показаниям, например, для лечения хронического болевого синдрома. Для восстановления ходьбы электроды накладывались на область задних спинальных корешков, связанных с нижнегрудными и верхними поясничными сегментами спинного мозга, которые вовлечены в контроль активности мышц, участвующих в ходьбе.

Важно отметить, что стимуляция осуществлялась при проведении специальной реабилитации у людей, которые после травмы либо полностью, либо почти полностью утратили движения в ногах, то есть это очень тяжелые случаи. Человека подвешивали на определенной системе, которая позволяла вертикализировать пациента, и при этом проводилась специальная спинальная электростимуляция, что позволяло имитировать ходьбу.

В соответствующей статье, опубликованной в журнале Nature, есть видео, на котором как раз видно, как люди идут с этой включенной стимуляцией. Под конец реабилитации систему для подвешивания тела убирали, так как человек приобретал возможность стоять уже без нее — он просто опирался на ролятор, и при включенной стимуляции этого было достаточно для ходьбы. В ходе исследования была также идентифицирована группа нейронов в спинном мозге, с участием которых проходило функциональное восстановление ходьбы.

Василий Власов

доктор медицинских наук

3. Вакцина против гемофилии B

Последние 50 лет человечество жило в ожидании, что генетика подарит возможность излечивать несовершенства человеческой природы — лечить так называемые генетически обусловленные болезни. Казалось бы, если известен дефектный ген, и мы уже знаем, как они, эти гены, устроены, то должно быть просто этот дефект исправить. Постепенно накапливался арсенал, но эффективного лечения практически не возникало.

Наконец, уже в 2021 году появляется несколько препаратов, которые, судя по всему, появились исключительно потому, что при этих конкретных редких состояниях удавалось встроить в клетку правильно функционирующий ген. Всё же это были и остаются достаточно редкие болезни, и эффект от лечения сплошь и рядом оказывается не столь уж значительным.

Появление в этом году нового генетического средства (в смысле регистрация в Соединенных Штатах) препарата «Гемгеникс» для лечения нарушения свертываемости крови, называемого гемофилией типа В, является очень заметным событием, может быть, триумфом. Надо сказать, я предполагал, что после противовирусных средств, эффективно излечивающих гепатит С, в XXI веке уже ничего не будет подобного, но вот я просчитался: явно этот «Гемгеникс» претендует на то, чтобы стать такой очередной вершиной мировой фармации.

С введением «Гемгеникса», то есть препарата, который основан на использовании живого вируса, удается в клетках печени исправить ген, который будет синтезировать правильный белок, и таким образом, у людей, страдающих гемофилией, появится этот отсутствующий белок, и они смогут жить без нынешнего лечения.

Единственным недостатком этого препарата, видимым сейчас, является высокая цена. Настолько высокая — 3,5 миллиона долларов за однократное введение, — что она кажется совершенно неприемлемой.

Но она, по существу, такой и является. Она взялась из расчетов. Дело в том, что люди, родившиеся с гемофилией, или становятся инвалидами, и каждый год в связи с кровотечениями на излечение тратятся большие деньги, или им надо делать еженедельные инъекции фактора свертывания крови, и тогда они могут жить, в общем, нормальной жизнью. Но это тоже очень дорого.

И вот пересчитывая на несколько лет, можно получить, что такая цена, 3,5 миллиона долларов, оправдана, поскольку она позволяет обеспечить хорошее качество жизни на долгие годы.

Второе ограничение, которое здесь есть, заключается в том, что никто не знает, как долго будет действовать это лечение. То, что правильный ген встраивается, не значит, что он будет таким навсегда, клетки же меняются. Поэтому вполне возможно, что это будет не одна инъекция и излечение на всю жизнь, а только лишь лечение на некоторый период. И тогда, конечно, эта цена выглядит заоблачной. Но, как известно, в фармацевтических компаниях самая главная задача — не продешевить, не сделать первичную цену ниже, чем это возможно. Судя по всему, компании «Беринг» это удалось, она поставила правильную цену, в Соединенных Штатах лекарство зарегистрировано и, по-видимому, будет применяться у узкой категории людей — у взрослых, у которых болезнь сопровождается обильными частыми кровотечениями.

Андрей Журавлев

палеонтолог, доктор биологических наук

4. Разноцветные перья у птерозавров

В этом году довольно много интересных открытий. Я бы назвал среди наиболее интересных, пожалуй, открытие перьев у птерозавров. Да, действительно, этот сюжет не нов: Александр Григорьевич Шаров еще в конце семидесятых годов описал знаменитого птерозавра с перьями Sordes pilosus («нечисть волосатая») из юрских отложений Казахстана. Но вот окончательно доказать, что всё-таки у птерозавров были перья, удалось только сейчас. Материал происходит из Бразилии, где великолепная сохранность отложений раннемелового возраста, и на черепе тупандактиля, это огромный птерозавр, обнаружили два типа перьевых структур: одни — просто нитевидные филаменты, другие — действительно, перьевидные, есть стержень, есть расходящиеся от него бородки.

Что особенно интересно, в них присутствуют меланосомы, то есть тельца, которые, собственно, придавали окраску шкуре данного животного. Но важно не то, что она была какая-то цветная, — понятно, что совсем уж альбиносов не бывает, они не выживают, а то, что меланосомы очень разнились. Значит, сама окраска кожи и разных перьев была неодинаковая. А это указывает на то, что перьевой покров с момента его появления — это всё-таки не только термоизоляционная структура, в первую очередь, но и структура, в общем-то, общения — показать себя и, соответственно, кому-то приглянуться. И, что очень важно, наличие перьев у птерозавров показывает, что перьевые структуры изначально существовали у рептилий, которые, собственно, дали и динозавров, включая птиц как их прямых потомков, и птерозавров. То есть это такая достаточно древняя покровная структура, отвечающая и за сложное поведение, и за термоизоляцию.

5. Кожа стеллеровой коровы

Не менее интересно открытие, связанное с почти современным животным — стеллеровой коровой. Георг Стеллер ее описал в XVIII веке. И не прошло и четверти века, как ее уже не стало. Наконец, ученые докопались до генома стеллеровой коровы и обратили внимание на одну неожиданную фразу в описании самого Георга Стеллера, что шкура этой коровы напоминает дубовую кору. Причем он уточняет: кору пробкового дуба, то есть такая корявая, вся в трещинах. Это очень удивительно для морских животных: мы привыкли, что дельфины, ихтиозавры, как мы знаем теперь точно, имели гладенькую упругую шкурку. Даже у моржей она всё равно всё-таки достаточно гладкая. И, изучая геном стеллеровой коровы, ученые обнаружили, что в нем сформировались преждевременные стоп-кодоны, которые буквально отключали гены, не позволяли им продуцировать определенные белки. В данном случае — арахидонат-липоксигеназу, которая необходима, чтобы отмерший внешний слой кожи отшелушивался, а не нарастал до бесконечности. И в результате мы, соответственно, нормально живем, нормально потеем, пребываем в своем комфортном состоянии, а вот если у нас поверхностный слой кожи перестает отшелушиваться, как при ихтиозе, тогда тело буквально покрывается «чешуей», по которой пролегают глубокие трещины. В общем, человеку становится трудно жить. Но что для одного эволюционный тупик, для многих других — путь в великое светлое будущее: стеллеровы коровы оказались склонны к ихтиозу. У них развилась толстая шершавая шкура, но им такая шкура была нужна для того, чтобы выживать в достаточно суровых северных морях. Вот такие были приспособления на основе, казалось бы, вредных для нас мутаций, как мы считаем, а для стеллеровой коровы они оказались полезными.

6. На кого похож общий предок позвоночных и беспозвоночных

Замечательное открытие связано с более древними животными. Их нашли в раннекембрийских морских отложениях Китая и назвали вуфенгиями. Это были маленькие червеобразные создания, три сантиметра всего-то длиной, покрытые фосфатными ракушками. Чем они примечательны? Эти червеподобные существа с многочисленными ракушками на поверхности — на самом деле, предки непосредственно брахиопод, двустворчатых сидячих фильтраторов, но они ползали, и у них торчали во все стороны щетинки. В целом они напоминали общих предков, соответственно, брахиопод, многощетинковых червей (и вообще кольчатых червей) и моллюсков. Недавно, и тоже в раннекембрийских отложениях, были обнаружены моллюски с такими же торчащими во все стороны щетинками. И вот эта находка замкнула наши представления, точнее, дополнила очень зримо наши представления об общих предках вообще беспозвоночных и, наверное, даже позвоночных животных. То есть это, несомненно, были животные ползающие, подвижные, достаточно высокоорганизованные, потому что сегментированные, с выделяющейся, соответственно, головой и достаточно сложным, видимо, поведением, раз были чувствительные щетинки, с помощью которых они ориентировались в пространстве, находили пищу.

Сергей Попов

астроном, доктор физико-математических наук

7. «Джеймс Уэбб»

Безусловно, 2022 год запомнится как первый год научной работы космического телескопа, названного в честь Джеймса Уэбба. С телескопа пошли первые научные результаты, они уже публикуются, есть большое количество полностью законченных научных исследований с использованием «Джеймса Уэбба». Мы знаем, что телескоп прекрасно работает, всё идет по плану.

И это очень здорово, потому что, если такая машина ломается, чинить ее невозможно, он находится далеко от Земли, туда невозможно прилететь каким-то ремонтникам, никто дублера делать не будет. И поэтому первая действительно хорошая новость, что всё работает, всё здорово, все тесты закончены, начались научные наблюдения, появились первые научные результаты.

Среди первых научных результатов есть интересные. Телескопы такого типа очень эффективны, они быстро наблюдают большое количество объектов, с каждым объектом работают разные научные группы, то есть результаты получаются довольно быстро.

И две ключевые задачи «Джеймса Уэбба» — это изучение молодых галактик, изучение формирования галактик в далеком прошлом нашей Вселенной, а также изучение экзопланет.

Вот есть интересные результаты по галактикам в молодой Вселенной. «Джеймс Уэбб» может довольно хорошо рассмотреть, как они устроены, и полученные результаты говорят о том, что современные модели формирования галактик нуждаются в существенных уточнениях. Это очень интересно, ради этого и нужны новые инструменты.

То есть качественно мы, по всей видимости, правильно понимаем, как формируются галактики, но вот существенно важные детали этого процесса в итоге нам должны помочь установить инструменты, и на основании полученных ими результатов эта картина будет уточняться. Сейчас и идет эта работа. Это не дело одной публикации, но видно, что здесь можно ожидать быстрого прогресса в ближайшие несколько лет.

Другой интересный результат касается атмосферы экзопланет: «Джеймс Уэбб» может определять состав их атмосфер. Естественно, для больших планет это делать проще.

И первый результат не касается потенциально обитаемых планет, но тем не менее он довольно интересный: идентифицирована молекула SO₂ в атмосфере одной из планет. Это интересно тем, что молекула должна была создаваться в этой атмосфере в результате фотохимических процессов, то есть это первая регистрация продуктов химического процесса в атмосфере экзопланеты. Это само по себе никого не удивляет, но опять-таки, наука так устроена, что нам нужно всё потрогать руками, всё в деталях отнаблюдать, и поэтому это существенный результат сам по себе, и он показывает возможности «Джеймса Уэбба».

8. Gaia

На орбите летает много важных аппаратов: один из них — очень продуктивный, очень важный для всей астрономии инструмент — европейский спутник Gaia. Задача Gaia — в течение долгого времени, примерно десяти лет, измерение точного положения большого количества объектов, наблюдаемых в оптическом диапазоне, то есть больше миллиарда звезд, много всяких квазаров, тел Солнечной системы — всё, что попадает в поле зрения, всё, что Gaia может рассмотреть, она измеряет, делая это с некоторой периодичностью. И в итоге можно определять для разных объектов расстояние до них, измерять их спектры, изучать, как они двигаются, и всё это в итоге попадает в открытый доступ.

Но попадает это после важной первичной обработки: с прибором, с данными трудно работать, поэтому публикуются релизы данных, выходят они раз в несколько лет. И научное сообщество, затаив дыхание, ждет нового релиза, готовится к нему. Ученые уже на этом этапе пишут все программы, которые они будут использовать для обработки новых данных. Как только данные появляются, люди начинают очень быстро с ними работать и публиковать результаты.

Вот в 22-м году вышел очередной, третий полный релиз данных Gaia, было много интересных публикаций. Из таких, может быть, интересных широкой публике, появилась публикация, в которой гораздо точнее, чем раньше, удалось посчитать, какие звезды в прошлом проходили близко от Солнечной системы, а какие звезды в будущем будут проходить близко от Солнечной системы.

Ну а если переходить к результатам, важным больше именно для научного сообщества, то интересно, что, по данным Gaia, ученые начали активно открывать двойные системы, состоящие из нейтронной звезды или черной дыры и обычной звезды. Эти системы не наблюдаются в рентгеновском диапазоне, как мы привыкли, или в радиодиапазоне.

Мы именно обнаруживаем, что у звезды есть невидимый массивный компонент — это или нейтронная звезда, или черная дыра.

Это едва ли не первый метод, предложенный для обнаружения, например, черных дыр, но до недавнего времени он не очень хорошо работал, а теперь с помощью Gaia начинает работать лучше.

9. Звезды в непосредственной близости от черной дыры в центре Галактики

Теперь к отдельным результатам. Часто внимание привлекают какие-нибудь рекорды. Некоторые существенны, потому что они дают какой-то качественно новый результат.

Первый результат, о котором хочется сказать, — это обнаружение звезды, вращающейся вокруг центральной черной дыры в нашей Галактике, и эта звезда имеет рекордно короткий орбитальный период. То есть всем ясно, что вокруг центральной черной дыры вращается много звезд, огромное количество. Их там трудно разглядеть, потому что центр Галактики закрыт пылью.

Соответственно, со временем эти рекорды все будут биться, но для чего это нужно? Изучая движение звезд вокруг черной дыры, мы, во-первых, определяем параметры черной дыры. Скажем, ее масса впервые точно была измерена именно таким способом. А во-вторых, изучая в деталях орбиты звезд, мы можем проверять теории гравитации. И такие работы уже активно велись. Но чем ближе звезда к черной дыре, тем быстрее вы получаете результаты, тем точнее они будут, поэтому важно искать более близкие звезды.

Первая такая звезда-рекордсменка имела орбитальный период 15 лет, следующая — чуть меньше десяти лет, и вот открытая в этом году звезда имеет период всего четыре года. Это говорит нам о том, что мы будем гораздо больше узнавать о нашей центральной черной дыре, о формировании звезд в ее окрестностях благодаря таким данным. Ну и будем проверять теории гравитации, изучая движение этих звезд.

10. Рекордно мощный гамма-всплеск

Другой пример рекорда, но уже ставящего вопросы перед нами, — это наблюдение рекордно мощного гамма-всплеска, который произошел 9 октября 2022 года. Детальный анализ еще не опубликован, прошло не так много времени, но первичные данные выложены, люди с ними работают.

В чем там загадка? Не только и не столько в большой мощности, а еще и в том, что от этого источника гамма-всплесков были зарегистрированы очень жесткие гамма-кванты, то есть гамма-кванты с очень большой энергией. А такие гамма-кванты с больших расстояний — здесь речь идет о расстояниях в миллиард световых лет — просто не добираются до Земли.

Здесь, если всё измерили правильно (но повторюсь, анализ продолжается), если первичные данные не будут скорректированы, то тогда возникает вопрос: как же эти гамма-кванты до нас добрались? И вот здесь появляется большое количество публикаций, набегает много теоретиков с экзотическими идеями, как это сделать. Например, это можно сделать с помощью специфических частиц, то есть сказать, что гамма-квант не пролетал всё это расстояние, а в источнике гамма-всплеска были рождены экзотические частицы, аксионы, например, которые, двигаясь к нам, превратились в эти мощные гамма-кванты. Ну а дальше уже гамма-квант смог преодолеть более короткое расстояние. То есть теоретики начинают активно резвиться, это довольно часто происходящий процесс, но тем не менее такие подарки, когда можно хорошо порезвиться, происходят раз в несколько лет.