4029
27 апреля 2021
Асель Мусабекова, иллюстрации Айдара Ергали

Азамат Елдесбай, физик: «Мы измеряем состояние пациентов после инсульта»

О физическом моделировании в нейробиологии

Азамат Елдесбай, физик: «Мы измеряем состояние пациентов после инсульта»

Почему тараканы передвигаются быстрее палочников? Как мы ощущаем время? Что происходит в мозге после инсульта? Эти вопросы изучают не только нейробиологи, но и физики!

Наш герой Азамат Елдесбай родился в Алматы, окончил КазНУ им. Аль-Фараби, а после магистратуры уехал в Германию, где живет уже почти 13 лет. Азамат работает в Кёльнском Университете на факультете зоологии и в Исследовательском центре Юлих в Институте нейронауки и медицины. Сейчас его главная область знаний — физическое моделирование процессов, происходящих в мозге. Он превращает структуру и электрические импульсы нейронных связей в цифры и уравнения. А работал Азамат в самых разных областях применения: от создания роботов-насекомых до важности сердечного ритма в восприятии времени.

Зачем немецкое правительство тратит деньги на популяризацию науки? Почему Азамат провел полгода в декретном отпуске? Для чего в Институте нейробиологии и медицины работает группа философов? И как казахстанцы, работающие за рубежом, могут принести пользу казахстанской науке? Ответы на эти и многие другие вопросы вы найдете в нашем материале.

О светлячках и людях

Если объединить все мои проекты, то можно сказать, что я изучаю синхронизацию. Это такое явление, которое каждый встречал, но о нем у нас очень редко говорят. Все мы были в театре или на концерте, когда кто-то выступает на сцене. После окончания выступления все начинают аплодировать. Аплодисменты сначала звучат вразнобой, но через какое-то время появляется единый ритм. Это и называется синхронизацией. Такой процесс встречается в биологических объектах. Например, наш циркадный ритм синхронизируется с солнечным светом. Когда мы видим свет, часть нашего мозга на это реагирует, выделяются определенные гормоны, и в зависимости от этого мы перестраиваемся. У человека ведь свой суточный цикл не обязательно равен 24 часам. У кого-то он больше, у кого-то меньше, но мы вынуждены подстраиваться под внешние факторы. Другой наглядный пример: есть такие светлячки в Юго-Восточной Азии, которые начинают светиться сначала по отдельности, но в какой-то момент все дерево, усыпанное ими, мигает в одном и том же темпе. Это очень интересный эффект. Получается, что каждый человек, который аплодирует, или каждый светлячок производит сигнал. Сумма этих сигналов создаёт общий фон, который замечают другие. И этот общий фон, как обратная связь, влияет на поведение каждого отдельно.

Греческая мифология в физическом моделировании

Одно из явлений в синхронизации, которое я начал изучать во время моего PhD — так называемые «химеры». Химера — это греческое мифологическое существо с головой льва, туловищем козы и хвостом в виде змеи. В науке «химерами» называются первоначально несовместимые вещи. Если вернемся к примеру с концертным залом: иногда получается так, что часть зрителей аплодирует в одном темпе, а часть продолжает аплодировать вразнобой и не может подстроиться под общий ритм. Мы можем предположить, что если все люди одинаковы, то в общей системе не должно появляться никаких «химер». Но иногда меняются условия: скажем, концерт происходит на онлайн-платформе. Тогда могут возникать «химеры». Нам это удалось показать теоретически. Самое интересное, что пока я ещё не встречал описание «химеры» в природе. Но недавно читал одну статью про мух, где говорится, что у них в мозге есть кольцеобразные строение из нейронов, соединенных между собой. Это строение нужно им для того, чтобы ориентироваться в пространстве. Тут нейроны работают, как компас. Механизм их работы напоминает мне нашу модель с «химерами» в синхронизации. Но для того, чтобы это доказать, нужно дальше углубляться в тему. Пока же изучение и моделирование «химер» — чисто теоретическая, фундаментальная задача, которой нет прямого применения. Однако над этим сейчас работают много групп. Вообще, важно понимать, что моделирование идёт своим чередом. А через какое-то время другие ученые находят эту теоретическую задачу и понимают, что она подходит для того, что они исследуют. Вот тогда модель находит практическое применение.

На конференции в Сан-Диего

Который час? Спроси свое сердце!

Вторая часть моего PhD-проекта была посвящена ощущению времени. Давайте спросим себя, как мы ощущаем время. Это непростой вопрос. Есть факторы, которые влияют на это в течение относительно долгого времени (полчаса, час). Например, солнечный свет. Есть очень короткие периоды, когда работает мелкая моторика. К примеру, мы можем играть на пианино или на инструментах и можем очень точно удержать секундный и более частый ритм в течение долгого времени. Но в целом не очень ясно, как человек понимает, прошла минута или нет. И есть одна теория, что ощущение времени основывается на физиологических процессах, происходящих в организме. Мы выбрали дыхание и сердцебиение и начали изучать, влияют ли эти процессы на периодическое восприятие времени. Каждый испытуемый производил определенное количество и последовательность импульсов. Например, прошли две секунды. И когда он считает, что прошли две секунды, он нажимает на кнопку. Одновременно с этим мы фиксируем ритм его сердцебиение и дыхание. Мы нашли определенные закономерности. В данном случае мы опять же использовали одну из моделей синхронизации, а именно модель соединенных осцилляторов. (В результате этого проекта Азамат и его коллеги опубликовали статью с интересным названием: «Сколько времени прошло? Спроси свое сердце» — прим.автора)

Любовь к науке с детства

Мой отец — математик, он преподаёт в КазНУ имени аль-Фараби. Поэтому интерес к математике и естественным наукам в нашей семье был всегда, хотя родители не настаивали на выборе профессии. Сестры у меня тоже математики. Мне же стала интересна физика, особенно после поступления в РФМШ, во многом благодаря учителю Шире Байбековне Тынтаевой. Кроме того, в физмате было очень много возможностей учить физику. По сравнению с другими школами, там было оборудование, возможность учиться дальше и узнавать что-то новое. С восьмого класса я начал готовиться к олимпиадам. У меня была возможность выступить и на республиканском уровне, и на азиатских играх. Мне было интересно общаться с ребятами, которые тоже занимаются наукой. Мы все жили в одном месте во время сборов и все были заинтересованы в своих областях. Сразу чувствовалось, что это тот круг единомышленников, в котором мне интересно. Это был своеобразный вызов, ориентир для повышения планки.

После школы мне хотелось поступить в Москву или куда-нибудь за рубеж. Но так сложилось, что я поступил в КазНУ, и вначале из-за этого у меня даже было какое-то сожаление. Но в итоге мне очень понравилось учиться на физфаке, особенно нравились преподаватели. С третьего курса и во время магистратуры я работал в Институте экспериментальной и теоретической физики при физфаке КазНУ. Однако я встал перед выбором: заниматься тем, что интересно, но тогда я не смогу зарабатывать себе на жизнь, или же уйти в другую профессию? Это был 2007 год, перед самым кризисом. Тогда я решил не оставаться в аспирантуре, мне казалось, что в Казахстане наукой заниматься невозможно. Во время магистратуры я как раз встретил своих будущих руководителей из Потсдама, которые были партнерами КазНУ по некоторым проектам. Мы подали на немецкую стипендию. Честно говоря, я не был уверен, что получу её, и поэтому начал работать в сфере микрокредитования. Но каким-то чудом я стал обладателем стипендии от DAAD, — немецкой организации по академическому обмену. И, несмотря на другие предложения по работе, я понял, что всё, чего я хочу, — это заниматься наукой. И я уехал в Германию на исследовательскую стажировку сроком на девять месяцев. Мне повезло, что DAAD также оплачивает курс немецкого языка, это позволило мне спокойно жить и общаться в Германии.

Особенности немецкой системы образования

После стажировки я остался в той же лаборатории на PhD. Первое, что бросается в глаза, — самостоятельность студентов. Они в среднем чуть взрослее, чем наши, особенно на программах магистратуры и докторантуры. Вертикальной иерархии в нашем представлении нет. Руководителей мы называем по именам, все общаются на одинаковом уровне, и многие вопросы решаются за обедом или за чашкой кофе. Происходит постоянное неформальное обсуждение науки и исследований. В то же время такая система передает ответственность самому докторанту. Студент не ждет указаний от профессора. Идея в том, что в конце докторантуры выходит абсолютно самостоятельный ученый, который сам может находить тему и заниматься исследованиями.

После окончания PhD возникает вопрос: оставаться в науке, уходить в частный бизнес или вообще заниматься чем-то другим? Отток из науки достаточно большой. В Германии есть огромные возможности для того, чтобы перейти в индустрию, при университетах есть технологические компании. Все основные промышленные гиганты напрямую связаны с научными школами. В индустрии ценится PhD. Даже после длительной академической карьеры сейчас есть возможность попасть в промышленность. Моей главной задачей в Германии было понять, как наука делается за рубежом. Поэтому у меня было три варианта: продолжать работать здесь в науке, уйти в индустрию или вернуться в Казахстан. Я понимал, что хочу дальше заниматься наукой и развиваться в моем узком направлении, а для этого мне нужно оставаться за рубежом.

Зачем изучать походку насекомых?

После окончания PhD я хотел продолжить применять навыки моделирования в нейробиологии и нашёл очень интересную группу. Они строили модели нейронных сетей у насекомых для того, чтобы изучить механику передвижения. В качестве модели используются палочники — достаточно крупные насекомые (10-15 см) с разделённой нейронной структурой. Именно поэтому их часто используют в нейробиологии, особенно в изучении двигательного аппарата, ведь за счет большого размера у них четкое разделение между сегментами. Когда я попал в эту группу, у них уже была огромная модель с 320 переменными, не считая других параметров настройки. Это всё было основано на данных электрофизиологических экспериментов — они напрямую измеряли активность определённых нейронов. Моей задачей было упростить существующую модель.

Вообще, когда насекомые ходят медленно, у них прослеживается определенная походка, при которой четыре ноги остаются на земле и отталкиваются, а две перебрасываются вперед — «tetrapod». А когда насекомое ускоряется, то походка меняется, и уже три ноги отталкиваются, а другие три перебрасываются — «tripod». Этот переход на бег описан для разных насекомых по-разному. Но вот именно физиологического объяснения пока нет. Когда насекомое касается поверхности, его сенсорные нейроны передают сигнал в центр, так называемый центральный генератор упорядоченной активности. Каждый следующий шаг палочника должен наступить через определенное время и расстояние. Но если нога не касается поверхности, то происходит задержка в миллисекунды, что моментально считывается центром, и ноги подстраиваются под это изменение. Весь этот механизм работает, как часы. И работает он за счет синхронизации. Здесь я применил свои знания для построения модели соединенных фазовых осцилляторов.

Если в примере с аплодисментами фазой будет период от хлопка до хлопка, в циркадном ритме — это день и ночь, то в случае с походкой насекомых — это один шаг.

Разделяя процесс на фазы, мы значительно упрощаем модель. Мне удалось упростить эту модель с 320 до трех переменных.

Считается, что эта задача в конечном счете может применяться для робототехники и бионики. С нами сотрудничают американские ученые, которые на базе этой модели строят реалистичных роботов, копирующих то, как это устроено в природе. Проект финансировался наполовину немецкой стороной и наполовину американской. Мы работали с Принстонским университетом, с математиками, которые разработали похожую модель для тараканов. Тараканы достаточно быстро бегают, в их модели насекомые в основном передвигаются триподом. Это две разные стратегии выживания, которые возникли в эволюции и зависят от окружающей среды. А так как генетически эти виды довольно похожи, было интересно, как регулируются эти две модели. Мы обнаружили, что на тараканов меньше влияет сенсорная информация (прикосновение), контроль из центра для них намного важнее. Эти исследования также можно рассматривать в контексте эволюции.

От фундаментальной науки к коммерциализации: нужна инфраструктура

Я объясняю науку так. Представьте стол и на нем разные предметы. Стол — это знание. Чем выше на нем предметы, тем выше наше знание о чем-то. Если сверху положить тканевую скатерть, то эту объемную форму можно себе представить, когда мы говорим об уровне развития науки в каком-либо обществе. Университеты, научные институты приподнимают эту скатерть, и вокруг них появляется такая часть общества, которым это знание доступно. Но обычно это академическое знание довольное узкое и специализированное — под нашей скатертью стоит ручка или карандаш. Прямой пользы от этого ожидать сразу очень сложно. Те люди, которые занимаются наукой в университете, преподают другим людям, и среди них крутится вот это новейшее знание. Они работают на границе знаний, которые вообще известны человечеству. Для того, чтобы между разными предметами скатерть не проваливалась, нужно создавать кластеры для получения и применения знаний — развивать междисциплинарность в университетах, там же привлекать бизнес и налаживать сотрудничество с другими кластерами. Таким образом, это знание постепенно переходит на других людей, с помощью компаний и технопарков. В принципе понятно, почему в Казахстане очень быстро хотят перейти на коммерциализацию и развивать те направления, которые быстрее дадут результат. Ведь есть такой известный факт, что только около 1% ВВП можно потратить на науку без ущерба для других отраслей. Но, по сравнению с другими индустриально развитыми странами, вернуть что-то из этих денег Казахстану сложно. В Казахстане на столе очень мало предметов, стол по-прежнему остается в основном плоским. А в Германии вокруг университетов появляется очень много других объектов, так как здесь находится очень много компаний, которые заинтересованы в образованных людях.

Развивать науку — это посадить дерево и понимать, что ты никогда не будешь сидеть в его тени.

Вкладывая в науку сейчас, мы окупим это через 10-15 лет, а то и позже. Это инвестиция в будущие поколения.

Главная цель — исследования

В погоне за постоянной позицией профессора, ученые меньше занимаются наукой и становятся скорее менеджерами, администраторами. Поэтому сейчас меня в принципе устраивает такой длительный постдок, так как моя цель — исследования. При желании, если есть финансирование, в Германии достаточно долго можно так работать. Но также здесь есть закон, который предполагает, что после шести лет постдока ученому желательно найти постоянную позицию. Изначально эта норма была сделана для того, чтобы учёные долго не работали на временных контрактах, но часто это работает против них. Из-за этого многие покидают науку. Индустрия от такой политики в итоге только выигрывает, так как получает кадры. Все мои коллеги, с которыми я учился на PhD в Потсдаме, если и ушли из науки, то попали в Apple, Google или в успешные стартапы. Невозможно для всех желающих найти средства на фундаментальные исследования, поэтому такая ситуация логична. Так как я заплатил довольно высокую цену — покинул Родину ради науки, я планирую оставаться в науке столько, сколько это будет возможно. Это достаточно сильная мотивация, чтобы заниматься тем, что мне интересно.

Ученый — ремесленник

У каждого физика или математика, который занимается моделированием, со временем появляется своя специализация — та область применения, в которой он помогает другим исследователям своими моделями. Для меня это нейробиология. Ученый — это ремесленник, он владеет определенным ремеслом. Это ремесло может быть достаточно редким, и не всем и не во всех странах оно нужно, и это нормально. Ученый год за годом оттачивает свое ремесло, обновляет навыки и знания. Для этого он общается с другими ремесленниками — он может работать с деревом и добавлять туда какие-то металлические элементы, образно говоря. У каждого учёного получается определённая специфика, в которой он очень хорошо разбирается, но одновременно с этим ему постоянно приходится расширять свой кругозор. Если взять, допустим, карту мира и сказать, что человек занимается просто деревом, то он может работать где угодно. Но когда человек становится узкоспециализированным, то вот эти места превращаются в маленькие точки, и их число очень быстро уменьшается. И для ученого, в основном, эти точки сосредоточены в Европе или в Северной Америке.

CONNECT: как меняется мозг после инсульта?

Я работаю в проекте под названием Connect, в нем участвуют врачи, психологи, математики и физики. Врачи из нашей команды работают с пациентами после инсульта. Основная задача — максимально упрощенно измерить состояние пациентов после инсульта. Повреждения мозга можно увидеть на ФМРТ (функциональная магнитно-резонансная томография), но этот сканер достаточно дорогой и невозможно каждый раз человека сканировать. Медики хотят использовать электроэнцефалограмму (ЭЭГ), относительно простой инструмент, который дает достаточно хороший, развернутый во времени сигнал.

Идея в том, чтобы построить модель того, как на МРТ меняется часть мозга, отвечающая за движения, у человека, перенесшего инсульт.

Затем мы можем на базе этой модели сделать другую, которая позволила бы, измеряя сигналы ЭЭГ, делать определённые выводы о том, насколько улучшается состояние пациента. То есть мы хотим сопоставить эти два метода для эффективной диагностики. В университетской клинике Кёльна была проделана работа, показавшая, что при выздоровлении улучшается связь между определёнными отделами мозга. ЭЭГ позволяет нам восстановить происходящее в хронологическом порядке, помогает найти причинно-следственную связь. Мы проверяем эти предположения на группе здоровых людей, а затем и на пациентах. Во время экспериментов они должны, например, взять какой-то предмет или нажимать на кнопку. Модель для здорового человека затем может быть адаптирована для людей с различными повреждениями мозга. У нас вышла статья, в которой мы описали, как с помощью нашей модели можно измерять связь между регионами мозга. Сейчас я работаю над улучшением модели, так как в ней присутствует только фаза, но также очень большую роль играет амплитуда сигнала. O конечных результатах можно будет говорить примерно через три года.

С партнерами из проекта CONNECT

Физика, нейробиология и ... философия?

Участие в таких проектах значительно расширяет спектр знаний и, попросту говоря, кругозор. Моя роль — теоретическая часть, моделирование. Раз в год или раз в полгода вся исследовательская группа, работающая над проектом, выезжает куда-то на несколько дней, чтобы поделиться результатами. Тогда становится понятно, что мы все говорим чуть на разных языках. К этому нужно привыкнуть и нужно уметь рассказать про свою работу просто и доступно. С другой стороны, мне приходится читать очень много дополнительной литературы, касающейся их дисциплины, чтобы понять, что они уже сделали и чем я могу помочь, если у них в исследовании возникла какая-то проблема. В нашем Институте еще есть психологи, работающие с когнитивными процессами восприятия пространства, времени. Есть группа, занимающаяся изучением раннего развития детей. Есть отдельная группа, изучающая расстройства аутистического спектра. Поэтому, когда мы создаем модель, и она дает какие-то результаты, то её можно будет также применить к другим состояниям и заболеваниям. Все эти группы постоянно обмениваются данными и результатами.

Еще один важный вопрос — этика исследований в нейробиологии. В нашем институте работают философы, они нужны для того, чтобы эксперименты соответствовали стандартам этики. Любой проект обязательно проходит через этическую комиссию. Потому что ни одно уравнение, ни один эксперимент, ни одна модель не могут ответить на вопрос, насколько это этично. С философами обсуждать исследования тоже очень интересно. Наука должна развиваться не только в техническом или в прикладном направлении.

Без гуманитарных наук мы теряем какую-то часть себя, ту часть, что делает нас людьми.

Я заметил, что сейчас в Казахстане очень сильно обращают внимание на наукометрию. Но часто такие измерения не подходят всем направлениям, в погоне за индексами Хирша мы запросто можем потерять гуманитарные направления.

О научной коммуникации

Министерство образования и науки в Германии и сами ученые в составе Немецкого научного сообщества ставят определенные цели. В этом сообществе каждый год проходят выборы, в которых могут участвовать все ученые независимо от гражданства и национальности. Они выбирают своих представителей. И вот они решили, что нужно выделять больше финансирования на междисциплинарные проекты. Проект, в котором я сейчас работаю, один из тех, что финансируются немецким научным сообществом. В таких проектах, объединенных под одной тематикой, участвуют больше 10 исследовательских групп, несколько университетов. Такие решения принимаются за счет того, что ученые, как представители научного сообщества, активно участвуют в обсуждениях с парламентариями и министерством.

Ещё один очень важный момент — научная коммуникация. В позапрошлом году министр образования и науки Германии утвердила концепт о научной коммуникации, который говорит о том, что в проектах будут выделяться деньги на то, чтобы понятно объяснить общественности тему исследований. К примеру, Исследовательский центр Юлих, где я работаю, — это научный городок в пригороде Кёльна. Раньше тут находился институт ядерных исследований, а сейчас здесь очень много направлений: климат, возобновляемая энергетика, нейробиология и так далее. Работают здесь где-то шесть тысяч сотрудников, из них половина — учёные. Раз в два года мы проводим день открытых дверей. В 2019-ом было около 28 000 посетителей. Каждый из нас обязан понятно рассказать о своих исследованиях. Мы готовим специальную демонстрацию с экспериментами. На всё это выделяются деньги. Это мы делаем для того, чтобы популяризовать науку, а также чтобы объяснить и «отчитаться» общественности, зачем делать такие исследования.

День открытых дверей в Юлихе

Папа в науке

У меня пока только один ребенок, поэтому у меня не такой большой опыт. Я взял полноценный декретный отпуск на полгода, а затем ещё четыре месяца работал на полставки. Германия — социальное государство, часть зарплаты мне оплачивалась. Исторически в Западной Германии женщины обычно оставались дома, а мужчины работали. Для нас сейчас это кажется диким, но в Западной Германии в 70-х годах женщине нужно было брать специальную бумагу-разрешение от мужа, чтобы пойти на работу. Если сравнивать с другими странами, в Германии меньше женщин в науке, так как они стоят перед выбором: дети или наука.

Я думаю, что решение этой проблемы состоит в том, что сами мужчины должны охотно заниматься воспитанием детей и принимать на себя часть этой доли.

Именно поэтому я и сам взял декретный отпуск. Мой руководитель — молодая женщина, которая сделала хорошую карьеру и стала профессором. Она, конечно, поддерживает всю семейную политику. Это ещё одна причина, почему женщин должно быть в науке больше. Ведь они лучше всех знают, в чем сложность этой ситуации. Почти все мои коллеги воспользовались этой возможностью посвятить время семье и ребенку. С ребенком нужно учиться работать эффективнее, но при правильной расстановке приоритетов это возможно. Моя супруга — тоже ученый, она защитила PhD по политологии в Берлине.

Казахстанские ученые за рубежом

После того, как человек долго живет за рубежом, он вдруг понимает, что он тоже меняется, принимает местные правила. Нельзя сказать, что это легко. Жизнь за рубежом не подходит для всех, нужно находить общий язык с самыми разными людьми на разных языках. Но когда человеку интересно то, чем он занимается, он принимает такое решение. И надо сказать, что люди уезжают не только из Казахстана. В науке вообще нормальна мобильность. Некоторые из моих бывших коллег тоже, к примеру, уехали в Америку. Безусловно, даже вдали от Родины, каждый ученый может приносить пользу своей стране напрямую или косвенно. Напрямую — приглашая студентов на стажировки, сотрудничая по общим научным проектам. Косвенно они могут помочь своим примером, показывая, что в Казахстане хорошее образование и что оттуда появляются хорошие кадры. Это косвенно помогает и молодым людям, которые, скажем, подают заявку на PhD из Казахстана. Оттого, что узкий специалист приедет обратно в страну и не сможет найти себе применения, никто не выиграет. Он теряет экспертизу, а страна — возможность международного сотрудничества. Я за то, чтобы поддерживать нетворк казахстанских ученых за рубежом.

Казахстанская наука: пациент скорее жив или мертв?

У науки нет национальности. Наука в Казахстане существует. Я слышу, что есть какие-то улучшения. Но надо понимать, что нельзя питать иллюзий о том, что любое вложение в науку окупится уже сейчас.

Данная публикация стала возможной благодаря помощи американского народа, оказанной через Агентство США по международному развитию (USAID) в период с 05.03.2021 по 04.07.2021, и был подготовлен в рамках «Центральноазиатской программы MediaCAMP», реализуемой Internews при финансовой поддержке USAID. Проект «Gylym Faces» несёт ответственность за её содержание, которое не обязательно отражает позицию USAID, Правительства США или Internews.