Член редколлегии нашего журнала академик Юрий Васильевич ГУЛЯЕВ выступил на форуме «Наука и общество», посвященном теме «Медицина и физиология XXI века». После выступления он поделился с журналом своими планами на будущее.
Символично, что этом здании(Научно-образовательный центр Ж.И. Алфёрова), в этом творении Жореса Ивановича и его команды, уже не один год проходят лекции, форумы и семинары. Мне тоже доводилось здесь выступать с лекцией, которая как раз касалась вопросов новой, превентивной медицинской диагностики (это одна из областей моей деятельности).
Я физик-теоретик и занимался вопросами физики твердого тела, электроники. И мы с Жоресом Ивановичем Алфёровым в этой области работаем уже, я думаю, лет пятьдесят. А к медицинским применениям наших методов я пришел лет двадцать-тридцать назад, и это тоже стало направлением моей деятельности. Этому и была посвящена моя лекция 2008 года.* [* См. Гуляев Ю. Физические поля и излучения человека: новые методы медицинской диагностики/ В сб. Наука и культура: избранные лекции. – СПб, 2009.]
С тех пор много воды утекло, сегодня мы продвинулись вперед, у нас есть очень серьезные разработки, которые позволят в будущем определять некоторые очень тяжелые заболевания на ранних этапах. Это, например, рак груди у женщин – сегодня является одним из основных, к сожалению, заболеваний, которые уносят немало жизней. А если бы это можно было диагностировать своевременно, то можно было бы отчасти предотвратить эти потери. У мужчин распространены болезни предстательной железы, в том числе один из самых тяжелых видов рака. Здесь методы диагностики развиваются на абсолютно новых принципах, применяются новые типы томографии, например, электрорезонансная томография. И, конечно, сердечнососудистые заболевания – они сегодня на первом месте по смертности. И здесь мы используем самые новые достижения физики, достижения квантовой электроники. Квантовые интерференционные датчики СКВИДы (Сверхпроводниковый КВантовый Интерференционный Датчик) – самые чувствительные приборы для измерения магнитных полей сердца и даже мозга человека, наиболее чувствительный инструмент при исследованиях сверхслабых магнитных полей, генерируемых живыми организмами.
И последняя наша, так сказать, мечта, вернее, высшая такая амбиция – попробовать понять, как происходит запись сигналов, информации, в память человека. Это пока еще далеко от практического применения, но вот такая у нас мечта.
Наши коллеги из США, Англии, Германии тоже над этим работают, и мы здесь, в Сколково, по сути единая, интернациональная команда. Проект «Сколково» так ведь и был задуман, чтобы работали именно интернациональные команды, потому что наука объединяет. Мне кажется, что идея создания уникального центра, где работали бы люди из разных стран, ученые, инженеры, чрезвычайно плодотворна. И вот начинает раскручиваться дело, в котором я лично участвую как член научного координационного совета, возглавляемого двумя нобелевскими лауреатами: Ж.И. Алфёровым и Р. Корнбергом. У нас пять команд, пять кластеров: по ядерным технологиям, энергетике, по суперкомпьютерам, космосу и телекоммуникациям, по медицине и фармакологии. Я участвую в двух: космические технологии и телекоммуникации и (уже как рядовой сотрудник) в работе биомедицинского кластера, где лежат мои медицинские интересы.
Работой биомедицинского кластера руководит Игорь Горянин – прежде всего один из крупнейших ученых в этой области и прекрасный организатор. И мне кажется, что благодаря таким, как он, результаты будут получены. Ну, и конечно, руководитель кластера по космосу и телекоммуникациям, Сергей Жуков, имеет прямое отношение к космонавтике и прекрасно знает область космических технологий, а кроме того, он поэтическая натура с богатым воображением, а здесь и нужен высокий полет мысли.
Я думаю, что идея мощного научного центра, которым и является«Сколково», принесет большие плоды, и затем мы получим «Большое Сколково» – как идею. Ведь в России есть много наукоградов – прекрасные центры и в Москве, и в Новосибирске, и в Екатеринбурге, и в Санкт-Петербурге. Я думаю, что на самом деле «Большое Сколково» будет иметь центр в Сколково территориально, но будет представлять, по сути дела, всю основную науку России, с привлечением наших иностранных коллег и всей мировой науки.
Но вернемся к вопросам превентивной медицинской диагностики.
В процессе жизнедеятельности человеческого организма вокруг него возникает сложная картина различных физических полей и излучений. Во-первых, это излучения по Планку (во всех диапазонах и прежде всего в районе планковского максимума) – это тепло, инфракрасный диапазон где-то от 5 до 10 микрон. В ИК-диапазоне мы излучаем примерно 10 мВт/см2. Это означает, что человек средней величины излучает в виде тепла в окружающее пространство примерно 100 Вт, как 100-ваттная лампочка. Дальше, по Планку, идет излучение сверхвысокой частоты (СВЧ), там плотность излучения 10–11 Вт/см2. Это маленькое излучение, но оно очень легко фиксируется различными радиометрами. Когда производили локацию планеты Венера, две станции летали на орбите вокруг Венеры – Венера-15 и Венера-16, и локатор бокового обзора сквозь облака снимал профиль планеты – ландшафт. Те сигналы, которые приходили обратно, отраженные сигналы, были даже меньше 10–11 Вт/см2, но было обнаружено суперслабое излучение.
Дальше – «оптика», это другое крыло распределения Планка, так называемая аура, то, что видно глазом, 10–17 Вт/см2. Это примерно 1500 фотонов видимого света с 1 см2 в секунду. Много это или мало? Человеческий глаз при адаптации в несколько часов в темноте может воспринимать два фотона в секунду. Именно так Павел Алексеевич Черенков в свое время открыл Черенковское излучение. Он сидел в темной комнате у Сергея Ивановича Вавилова, очень долго, и в конце концов увидел эти два фотона в секунду. Так и каждый из вас, если будет долго сидеть в темноте, начнет видеть сияние, исходящее от партнера напротив, причем не только вокруг его головы. Это обычная биолюминесценция, но это больше, чем по Планку.
У человека с потом выделяются разные вещества, в том числе липиды, которые окисляются, а при окислении возникает биолюминесценция, очень слабенькая, но ее можно видеть. И она тоже может нести информацию, потому что в зависимости от эмоций человек можете испарять разные вещества. Вот вы испугались, у вас в крови выделяется адреналин. Адреналин начинает выходить, он тоже светится по-своему.
Что характерно: ИК-излучение и «оптика» идут с поверхности человека, а вот СВЧ-излучение идет из глубины, а не только с поверхности, потому что есть так называемый скин-слой, который по размеру составляет примерно 1/7 длины волны света. Если мы принимаем СВЧ-излучение человека на длине волны 21 см, это означает, что оно идет из слоя толщиной примерно в 3 см. На длине волны в 28 см это 4 см. Есть компьютерная программа, которая позволяет одно из другого вычислить. Можно воспринять излучение, которое идет только из слоя толщиной в 1 см (на глубине 1 см), т. е. таким излучением можно прощупывать человека насквозь, а не только с поверхности. Это очень важно.
Далее. Не всегда температура человека, измеренная под мышкой или в другом месте, является точным показателем заболевания. Бывает, что у человека температура высокая везде, и под мышкой в том числе. Но бывают случаи, когда в целом температура не меняется, а изменяется в отдельных местах. В частности, когда возникает рак, несмотря на то что раковых клеток еще очень мало,где-то возникает локальное повышение температуры за счет того, что раковые клетки имеют повышенный метаболизм. Они свою «пищу» едят быстрее, чем другие клетки, и поэтому там возникает маленькое повышение температуры, примерно на 0,3 градуса, и для диагностики очень важно «увидеть» внутри человека эти горячие точки. Вот определили такую горячую точку, и чтобы сказать, рак это или нет, ее уже нужно исследовать обычными методами – взять биопсию, например. Или лучше подождать какое-то время. Если это повышение температуры из-за воспаления какого-то другого типа, то оно пройдет через месяц, а раковое уже никогда не пройдет. Это очень важный канал информации.
Как мы эти точки можем обнаружить? Тут уже начинается акустика, и это тоже очень важный канал получения информации.
Акустические колебания – это фононы, колебания ткани, так сказать. Фактически все вы знаете ультразвуковое излучение, УЗИ. Ультразвуковая диагностика это фактически локация: есть кабинетный излучатель звука, звук излучается, отражается от органов, разных тканей, и мы имеем картинку того, что происходит. Это очень важный метод. При этом используются акустические волны примерно от 1 до 10 МГц, потому что они мало затухают (у этих волн длина затухания где-то 12-15 см, т. е. вполне достаточная для того чтобы прощупать человеческое тело).
Раз человек имеет температуру 36,6 °С, то, по закону Планка, имеет место излучение не только электромагнитных волн, т. е. фотонов, но и фононов – акустических волн. Больше всего излучается этих фононов на частотах очень больших, порядка 1013 Гц, они и обеспечивают теплопроводность тела. А вот низкочастотные фононы – это все равно что те же ультразвуковые волны, которые используются в УЗИ. Только в УЗИ у нас есть генератор волн, потом эти волны отражаются и поступают в приемник. А для акустических волн – только приемник, который принимает собственные ультразвуковые шумовые излучения. И оказывается, они тоже идут из глубины. И ими тоже можно прощупывать тело. Тут акустическое излучение дополняет электромагнитное. В одном случае точнее по температуре, а в другом – по разрешению пространства, потому что акустические волны существенно короче. А когда оба излучения используются вместе, получается радиоакустотермометр.
Акустотермометр – это такой прибор, который определяет трехмерное распределение температуры внутри человеческого организма с точностью примерно до 0,1 градуса. Это как раз то, что нужно для нахождения тех горячих участков, которые появляются в теле.
Теперь рассмотрим поля, прежде всего электрическое поле. Во-первых, электрическое поле есть у нас между мембранами клеток. Но поскольку там расстояние ничтожно, его трудно зафиксировать. Во-вторых, есть баллистическое электрическое поле, которое возникает, например, когда мы ходим по полу. От трения у нас на коже возникает большой заряд, а так как кожа обладает очень высоким сопротивлением, особенно сухая (примерно 1011 Ом/см2), заряд стекает плохо, он все время на нас сидит. Когда мы дышим, грудная клетка движется, движется и заряд. Если поставить антенну, она будет легко фиксировать ваше дыхание по движению зарядов. И как раз это несет очень большую информацию. Вот, скажем, биение сердца. Ясно, что каждый удар сердца сотрясает грудную клетку, а значит, снимать электрокардиограмму можно не с помощью контактов, а просто поставив антенну. (У нас есть такое кресло. Вы садитесь, не раздеваясь, и снимается кардиограмма.)
Далее. Мы разработали метод автоматизированного кормления животных. Когда корова хочет есть, то у нее начинает сокращаться с определенной частотой рубец (есть такой отдел желудка), и если поставить антенну около стойла, то она покажет, что данная Буренка хочет кушать, значит, надо дать ей поесть. Автоматизированное кормление животных происходит по объективному признаку. Корова ведь не скажет, что она хочет есть, а рубец скажет. Точно так же это может применяться и на маленьких детях, которые еще не умеют говорить… Короче говоря, это очень важный канал информации.
Но, пожалуй, один из самых важных каналов – это магнитное поле. Чем отличается магнитное поле человеческого организма от электрического? Допустим, работает сердце. Каждое сокращение сердца и регулировка работы сердца производится через так называемый пучок Гиса (пучок нервных волокон в сердечной ткани), который проводит импульсы в сердечную ткань. Сначала он дает импульсы в правое предсердие, оно запускает правый желудочек, желудочек запускает кровь в малый круг легких, кровь там очищается, идет в левое предсердие, дальше идет импульс в левое предсердие, это все идет в левый желудочек. Левый желудочек – самый мощный, он сокращается и гонит кровь по всему организму. Этот импульс мы и прощупываем.
Электрокардиограмма же – это опосредованная вещь, потому что электрические поля экранируются человеческим телом. То, что вырабатывается в сердце, как работают мышцы, как работает миокард, желудочки и предсердия, всё это мы измеряем по сигналам, которые доходят до кожи. Когда, скажем, человек толстый, то до кожи эти сигналы доходят одним образом, когда же человек худой – другим. То есть это все опосредованно, и тут, конечно, требуется большое искусство врача. Электрокардиография – очень развитое направление, с большими наработками, и врачи примерно знают, как о любом человеке получать информацию. Электрокардиограмма – это графическое отображение (регистрация) прохождения электрического импульса по проводящей системе сердца, которое графически записывается по вертикали в виде пиков – подъемов и спадов кривой линии. Эти пики принято называть зубцами электрокардиограммы и обозначать латинскими буквами Р, Q, R, S и Т. Возбуждение верхушки сердца и прилегающей к ней области, например, появляется в виде самого высокого зубца R(время возбуждения верхушки в среднем равно 0,05 секунды).
Магнитное же поле дает непосредственное измерение того, что происходит в самом миокарде, потому что оно не экранируется тканями. И тут, умея измерять магнитное поле, мы сразу видим, что там происходит. Но магнитное поле сердца в D-пике в 10 миллионов раз меньше магнитного поля Земли, которое вращает стрелку компаса, но представьте себе, мы можем его измерять благодаря современной науке и изобретению СКВИДов. У нас есть установки, которые позволяют измерять магнитные поля с точностью в 10 фемтоТесла/Гц1/2. Это означает, что мы прекрасно видим эти D-пики. Более того, когда человек меняет мысль с одной на другую, в мозгу тоже возникают D-пики. Они еще в 100 раз меньше. Получается, что магнитное поле сердца в R-пике в 10 миллионов раз меньше магнитного поля Земли, а магнитное поле мозга в 1000 миллионов раз меньше. Короче говоря, это очень маленький порядок, и тем не менее удается измерить соотношение сигнал/шум – примерно 7/10.
Магнитные поля являются исключительно важным источником. С его помощью мы можем видеть, как отдельно работает правое предсердие, правый желудочек, левое предсердье, левый желудочек. Ни один другой метод не позволяет видеть отдельно работу этих частей сердца. Вот, скажем, при мерцательной аритмии, там, где левое предсердие не проводит импульс к желудочку, предсердие часто и слабо сокращается (просто вибрирует), а значит, кровь«самотеком» попадает в желудочек. Если вибрация предсердий очень сильная, то может получиться эффект «сбивания масла» – от взбивания крови возникают тромбы. Такой тромб пошел, и всё – нет человека. Так что это очень важный метод.
Далее, конечно, химия. Мы испаряем вокруг себя много чего. Каждый человек по-своему пахнет, т. е. вокруг каждого человека своя микроатмосфера. И если он не компенсирует это духами или еще чем-то , то микроатмосферу можно анализировать лазерными анализаторами (они основаны на Алфёровских лазерах).
И вот, если хотите, все эти излучения вместе можно назвать биополем. Я это так не называю, потому что слово «биополе» опорочено теми, кто ничего не понимает в физике. Но биополе – это реальные физические поля человека. Что нам здесь интересно? Первое: имеют ли эти поля достаточно большую величину, которую можно измерить? Второе: если мы их измерим, даст ли это какую-нибудь информацию? Может, это бесполезный разговор. Оказывается, что все эти поля модулируются жизненными функциями организма, и поэтому несут информацию. Наша современная природная база позволяет это измерять. Это и есть новое направление в диагностике in vivo, т. е. живого организма.
За последние десятилетия самыми крупными достижениями в области медицинской диагностики являются разного вида томографии. Это, во-первых, рентгеновская томография: если сквозь человека пропустить рентгеновские лучи под разными углами и посмотреть рассеянное рентгеновское излучение, то, решая после этого обратную задачу, можно найти распределение источников излучения. Таким образом, рентгеновская томография позволяет видеть расположение органов внутри организма. Если возникает патология, то это тоже видно – патологии должны менять коэффициент преломления для рентгеновских лучей (иначе, если они его не меняют, то их и не увидишь).
Далее. Есть ЯМРТ – ядерно-магнитно-резонансная томография, где используются методы ядерного резонанса. С ее помощью мы видим то, что происходит внутри организма. Позитронно-эмиссионная томография – это способ исследования, при котором человеку вводят некоторое вещество, которое испускает позитроны. Эти позитроны аннигилируют с электронами, возникает γ-излучение, его измеряют и по нему судят о том, что происходит в организме человека.
Но все эти установки инвазивные, т. е. проникающие в живые ткани организма. Рентген вреден в больших дозах. Хотелось бы видеть, что происходит внутри человека, не причиняя ему вреда. Измерение собственных излучений и полей человека, если можно по ним судить о работе внутренних органов, – это и есть так называемая пассивная томография. Она абсолютно безвредна, потому что мы человека ничем ни облучаем, а только измеряем то, что он сам излучает. И это очень важно, потому что любая патология не возникает сразу, изменения в организме медленно накапливаются, органы начинают потихоньку неправильно работать, и в конце концов все это приводит к патологии. Поэтому очень важно как можно раньше обнаружить отклонение работы органов от нормы. Тогда можно более легкими способами вернуть органы к нормальному функционированию, не применяя такие жесткие методы, как химиотерапия или операция. Тем более, что когда патология обнаруживается на ранней стадии, то, как правило, имеется возможность вернуть человека к норме, мобилизуя внутренние резервы организма. Это фактически превентивная медицинская диагностика. В этом цель всех наших исследований: когда человек еще почти здоров, распознать начинающиеся заболевания, не дать им развиться и вернуть человека к норме.
Источник: Экология и жизнь