(Июль 2019, idb)
Замечательная особенность современной науки – это то, как сугубо прикладные технологии постепенно становятся фундаментально важными вещами в основах научной картины мира. Одна из таких технологий – голография.
Волновая физика и порождаемые ею феномены голографии уже очень давно – без малого полстолетия – вдохновляют ученых на создание новых неортодоксальных моделей для устройства мира, человека и его сознания. За прошедшие десятилетия голографический принцип успел стать основой для единого взгляда на множество важных, но очень плохо стыкующихся вещей. На квантовую физику и гравитацию, на природу частиц и черных дыр, на единство разума и материи, на устройство окружающей реальности и нашего мозга, наконец.
Если говорить об интуитивном уровне освоения идеи, то уже очень многие сегодня чувствуют, что это практически наверняка не случайность – когда ученые с существенно разных концов и разными путями приходят к одному и тому же объединяющему принципу. Однако, если оценивать ситуацию по большому счету, то ничего похожего на подлинный, давно назревший научный прорыв здесь что-то никак всё не происходит.
Причины затянувшегося топтания на месте никак не связаны ни с собственно голографией, ни с научными достижениями в целом. Тут дело скорее в таких особенностях нашего социального устройства, как иерархические структуры власти, сила традиций и авторитетов, религиозные догмы и табу. В общем, разнообразные тормоза типа устойчивых, но ошибочных верований.
Но как бы там ни было, отсутствие прогресса на фундаментальном уровне ничуть не мешает развитию голографии на уровне прикладных технологий. Об одном из новых интересных достижений такого рода – на стыке ультразвуковой акустики и медицины – и будет нынешний рассказ.
В свежем июльском выпуске журнала Physical Review Applied опубликована статья испанских ученых-физиков из Технического университета Валенсии, посвященная теме такого рода: «Голограммы для фокусировки в мозге ультразвуковых полей любой нужной формы» [Sergio Jimenez-Gambin, Noe Jimenez, Jose Maria Benlloch, and Francisco Camarena, “Holograms to Focus Arbitrary Ultrasonic Fields through the Skull”. Phys. Rev. Applied 12, 014016, Published July 10, 2019].
Суть и итог проделанной работы в предельно кратком изложении – это технология особых акустических голографических линз, изготовляемых методами 3D-печати и обеспечивающих формирование ультразвуковых голограмм произвольной формы внутри человеческого черепа. Используя данные голографические линзы, ученые разнообразно продемонстрировали – экспериментально, теоретически и на компьютерных моделях, – что могут порождать такие акустические лучи, в которых пространственная фокусировка энергии точно соответствует анатомической форме структур центральной нервной системы в мозге человека.
О том, для каких целей медикам и ученым нейронауки требуются практичные технологии высокоточной фокусировки ультразвука в мозге, удобнее рассказать ближе к финалу. Пока же полезно чуть подробнее рассмотреть, как именно эта новая технология устроена.
Сердцевиной всей разработки, как уже сказано, является весьма особенная линза-пластина для формирования акустической голограммы-образа. Если пояснять в самом общем виде, то голографические пластины – это такие поверхности, которые при попадании на них волн света, звука или другого излучения, модифицируют фазу проходящего или отражаемого волнового фронта таким образом, что далее, при последующем наложении этих волн, может быть сформирован сложный образ (именуемый голограммой).
Степень сложности и детализации голограмм существенно зависит от длины волн и разрешающей способности поверхностей, с этими волнами работающих. В оптике, в частности, благодаря технологическим достижениям последних лет в области тонко структурированных метаматериалов, были разработаны и созданы голографические метаповерхности с субволновой толщиной и с резонансными частотами в диапазоне длин волн меньше световых.
Созвучные успехи технологий в акустике, аналогично, предоставили ученым широкий ряд материалов и структур, обеспечивающих на нужной частоте локальные резонансы, требующиеся для достижения точного контроля над формой волнового фронта на субволновых масштабах. Так что ныне акустические метаматериалы уже позволяют обеспечивать весьма точное управление как для отражаемых, так и для проходящих через пластину волн.
Использование таких метаструктур существенно помогает ученым при разработке разнообразных линз с весьма экзотическими свойствами. Таких как «суперлинзы» с отрицательным отражением или «гиперлинзы» с гиперболическим соотношением дисперсии, способные фокусировать субволны в ближнем поле. Еще одной разновидностью того же ряда являются и голографические линзы, фокусирующие лучи в виде голограмм сложной произвольной формы – как в оптике, так и в акустике.
Но во всех подобных приложениях, как правило, голографические линзы демонстрируют способности манипулировать акустическими волнами в свободной среде. То есть в такой среде, где отсутствуют неоднородности. Однако во многих практических приложениях реальной жизни, и в частности, когда ультразвук используют в медицине, акустические лучи встречают на своем пути множество слоев тканей тела, обладающих сложной геометрией и далеко неоднородными свойствами.
Для каких-то из этих проблем успешные решения уже найдены, для каких-то поиски всё еще в самом разгаре. Особо же сложная ситуация возникает в ситуациях, когда целевой объект или ткань находятся под покровами других тканей с высоким импедансом, то есть сопротивляемостью «просвечиванию». Например, когда речь идет о мягких тканях, окруженных костями, то луч испытывает сильные аберрации из-за одновременного наложения эффектов рассеяния, отражения и поглощения волн.
Особо же непростая ситуация такого рода – это, в частности, транскраниальное распространение звука в костях черепа, защищающих мозг. На пути к исследованиям центральной нервной системы (ЦНС) решение данной проблемы представляется принципиально необходимым. И при этом точное управление акустической фокусировкой в точках воздействия на ЦНС существенно ограничено из-за мощной фазовой аберрации волн, порождаемой рассеянием и сложной формой черепных костей.
Ключевая особенность нынешней работы испанских ученых – это подход к решению проблемы «с обратной стороны», так сказать. В физике давно известны общие методы фокусировки систем на основе инвариантности или неизменности распространения волн (в частности, волн акустических) относительно обращения времени. Суть таких методов заключается в том, что источник сигнала размещается в точке фокусировки, а регистрация результирующего волнового фронта, наоборот, происходит снаружи. Конкретно же в данной задаче этот метод обращения времени был применен так.
Для начала команда создала компьютерную модель, которая включает в себя достаточно подробную анатомию мозга, специфическую форму и акустические свойства черепа. Затем источник ультразвука нужной формы помещался в нужной точке внутри черепа модели, снаружи вычислялась результирующая волновая картина, а на её основе вычислялась такая конструкция линзы, которая превращала бы беспорядочную фазу исходящего звука к виду когерентного сфокусированного пучка. Когда та же самая линза работает в другую сторону – через обращение течения времени в естественном направлении – то теперь она выступает в качестве источника акустической голограммы. Которая искажает поступающий в неё плоский луч звука таким специфическим образом, что далее он воспроизводит желательного вида «изображение» ультразвукового источника внутри мозга.
Поскольку подробности всей этой технологии определенно представляют интерес, имеет смысл пояснить детали с помощью графических иллюстраций из статьи исследователей.
Начальный этап – «обратное распространение» – состоит из следующих шагов (a-b):
(a) Получение снимков черепа на основе Компьютерной томографии и Магнитно-Резонансного сканирования
(b) Обратное распространение волн. Избранная цель действует в качестве виртуального акустического источника (объем выделен красным), поверхность голографической записи результирующего сигнала обозначена голубым цветом.
Финальный этап – «прямое распространение» – состоит из таких шагов (c-d):
(c) На основе записанных данных о фазе и амплитуде волны обратного распространения изготовляется линза голографической пластины – недорогим методом печати на 3D-принтере.
(d) Прямое распространение волн. Наконец, линза возбуждается плоским и однородным ультразвуком от источника-трансдюсера (выделено красным), а целевой акустический образ-голограмма воспроизводится внутри черепа (синий)
Для непосредственного опробования теоретической и компьютерной модели в условиях, приближенных к реальным, исследователи изготовили также «фантом черепа», воспроизводящий физические особенности костей и тканей головы в условиях нетривиальной геометрической формы черепа. После чего сразу с трех сторон – теоретически, компьютерным моделированием и экспериментально – была продемонстрирована генерация нескольких голографических образов-паттернов нарастающей сложности.
Каждый из этих образов имеет непосредственное отношение к применению в биомедицинских ультразвуковых технологиях: фокусировка голограммы в произвольном наборе точек, фокусировка голограммы в виде линии произвольной формы, фокусировка голограммы в виде объема произвольно заданной формы.
(а) Фокусировка на наборе произвольных точек (бифокальная голографическая линза). Самый простой вариант генерации голографического паттерна. В частности, голографические линзы использованы для порождения би-фокального луча, фокусирующегося одновременно в правом и левом гиппокампе человеческого мозга.
(b) Фокусировка в виде произвольной линии (само-искривляющая голографическая линза). Продемонстрировано порождение ультразвуковых лучей с произвольно искривленной траекторией вдоль внутренних тканей ЦНС.
(c) Фокусировка в виде произвольной формы (объемная голографическая линза). Продемонстрировано порождение лучевого паттерна, воспроизводящего конкретную форму определенной структуры ЦНС. В частности, сгенерирована сфокусированная голограмма в форме правого гиппокампа мозга.
Одной из важнейших особенностей новой технологии является то, что она практична и сравнительно недорога, поскольку целиком опирается на уже имеющуюся технику и аппаратуру массового производства. По оценкам специалистов, в реальных клинических условиях эта технология без проблем может быть использована для быстрого и дешевого изготовления линз индивидуально для каждого пациента. Сначала врачи будут снимать конкретную форму черепа человека с помощью компьютерной томографии и магнитно-резонансного сканирования, а затем изготовлять 3D-печатью акустическую линзу, обеспечивающую фокусировку ультразвука в виде голограммы той формы, которая требуется для конкретных исследований и/или терапии.
Здесь, наконец, мы подошли естественным образом и к последнему важному вопросу: а зачем, собственно, все это нужно? Ответ на данный вопрос имеет два существенно разных аспекта.
Первый аспект – сугубо практический, полностью относящийся к задачам медицины, нейропсихологии и прочих наук о человеке. Как поясняют специалисты, высокоточная обработка конкретных участков мозга с помощью голографически сфокусированного ультразвука позволяет существенно улучшать методы медикаментозной терапии, на краткое время открывая барьер кровь-мозг для доставки лекарств в нужные области мозга. Кроме того, технология предоставляет удобный инструмент для высоко избирательного и нехирургического модулирования мозговой активности, что в потенциале обещает лечить такие патологии центральной нервной системы, как болезнь Паркинсона, к примеру.
Аспект же второй – это фундаментальная важность голографических подходов в науке вообще. Как и другие «фундаментальные технологии» подобного рода (вроде квантовых компьютеров, к примеру), голография предоставляет ученым не только очень мощную концепцию для целостного взгляда на природу, но и удобный интерфейс для объединения вещей и идей, прежде считавшихся очень разными или даже несовместимыми.
В частности, нет ничего лучше голографии, что могло бы наглядно демонстрировать единство сознания и материи – через уже освоенные в общих чертах принципы «материализации мыслей». Или иными словами, технологии осаждения и фиксации материальных частиц на структурах виртуального каркаса, голографически сгенерированного светом или звуком…
Другой пример, более близкий к анатомии и тайнам мозга. Нет ничего лучше голографии, что наглядно демонстрирует феномен «нелокализуемости памяти». Наука не может определить, в каких местах мозга хранятся те или иные воспоминания, однако имеет массу свидетельств тому, что память распределена по всему объему мозга – словно интерференционные волновые паттерны. Или голограммы, иными словами.
И есть сильные доводы за то, что «ничего лучше и нагляднее» нет тут по одной интересной причине. Просто именно так – на голографической основе – всё оно в природе и устроено на самом деле…
# # #
Дополнительное чтение:
О применении транскраниальных стимуляций участков мозга в интересах медицины и спецслужб: «Тишина в зале» , «Прикладная нейропсихология»
О прикладных и фундаментальных аспектах голографии:
Компьютерная голография,
Освоение реальности,
По волнам холопамяти,
Голографическая реальность,
Гипотеза симулятора, или Кто боится голографии.
Большая подборка фактов и историй о том, как голографические технологии прокладывают путь к постижению вселенной как единой, живой и сверхразумной опто-акустической голограммы:
Полная запись,
Между жидкостью и кристаллом,
Между оптикой и акустикой,
Ассоциативная холопамять.
# #
Основные источники:
Sergio Jimenez-Gambin, Noe Jimenez, Jose Maria Benlloch, and Francisco Camarena, “Holograms to Focus Arbitrary Ultrasonic Fields through the Skull”.
Phys. Rev. Applied 12, 014016 (2019)
Sergio Jiménez-Gambín et al. “Holograms in the brain- focusing arbitrary ultrasonic fields through the skull using holographic phase plates”. arXiv:1902.06716 [physics.app-ph] (Submitted on 18 Feb 2019)
kiwi arXiv 