Human Brain Project i Graphene Flagship: polscy naukowcy w badaniach nad ludzkim mózgiem

Co łączy ludzki mózg i grafen? Między innymi to, że doskonale wiemy o ich istnieniu, a jednocześnie kryją one przed nami jeszcze niejedną bardzo ciekawą tajemnicę. Łączy również to, że przez najbliższe 10 lat badania nad działaniem i strukturą ludzkiego mózgu oraz nad właściwościami grafenu będą flagowymi projektami UE. Duży wkład spodziewają się włożyć w te badania polscy naukowcy z Politechniki Warszawskiej (PW) i pracownicy Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME). Tę pierwszą instytucję zna chyba każdy, ale o ITME słyszeli zapewne nieliczni. Te zakłady zlokalizowane w Warszawie zajmują się między innymi technologią krzemu, w tym produkcją płytek krzemowych i monokryształów o nietypowej orientacji. To również główny beneficjent rządowego programu GRAF-TECH, który próbuje rozgryźć tajemnice największego konkurenta krzemu na arenie technologicznej.

Oba projekty - „Human Brain Project (HBP)” i „Grafenowy Projekt Flagowy” - zostały wybrane przez Komisję Europejską w ramach programu „Nowe Technologie i Technologie Przyszłości” (Future and Emerging Technologies - FET) jako najbardziej obiecujące. Projekty otrzymają dofinansowanie w wysokości miliarda euro, choć w pierwszym okresie będzie to znacznie skromniejsza suma kilkudziesięciu milionów. Oprócz Polaków w badaniach udział weźmie prawie 200 innych jednostek naukowych z co najmniej 15 państw członkowskich UE. Są nadzieje, że do PW i ITME dołączą jeszcze inne polskie instytucje naukowe.

Potrzeba realizacji projektu, który zwyciężył w konkursie, w którym w grę wchodzą duże pieniądze i sława (choć z perspektywy potrzeb nie są to duże pieniądze), musi być solidnie uzasadniona. W przypadku grafenu nie trzeba chyba wielu wyjaśnień. Wystarczy sięgnąć pamięcią w przeszłość i zapoznać się z naszymi doniesieniami o odkryciu grafenu, perspektywach dla rynku elektroniki oraz pierwszych osiągnięciach w produkcji grafenowych wafli i materiałów przewodzących, a również całkowicie polskim wkładzie w tę dziedzinę.

Schemat tranzystora tunelowego, do którego budowy wykorzystano warstwy grafenu.

"Grafenowemu Projektowi Flagowemu" będzie doradzać komitet z odkrywcami grafenu na czele oraz przedstawicielami Nokii i Airbusa. Nietrudno domyślić się skąd obecność tych ostatnich w komitecie.

Polską część tego projektu realizuje grupa zajmująca się technologią wytwarzania grafenu na podłożach dielektrycznych i metalicznych, kierowana przez dr. inż. Włodzimierza Strupińskiego. Projekt grafenowy to przedsięwzięcie, które ma sprawić, że grafen przestanie być materiałem zaprzątającym jedynie umysły pracowników uczelni. Efekty prac nad rozgryzieniem tajemnic grafenu obejmują "szybkie urządzenia elektroniczne i optyczne, elektronikę elastyczną, trwałą elektronikę użytkową, w tym papier elektroniczny, detektory i biosensory, oraz inżynierię materiałową - funkcjonalne, lekkie i wytrzymałe kompozyty, zaawansowane baterie, lżejsze i energooszczędne samoloty. W perspektywie długoterminowej przewiduje się, że grafen umożliwi opracowanie nowych paradygmatów obliczeniowych czy rewolucyjnych rozwiązań medycznych, takich jak np. sztuczna siatkówka oka".

Diagram ilustrujący jak poszczególne dziedziny życia mogą czerpać korzyści z różnych własności grafenu.

Jednakże, jak stwierdza dyrektor Programu Flagowego, Jari Karnet - "nie zamierzamy zajmować się wszystkimi potencjalnymi zastosowaniami. Nie będziemy np. konkurować z Koreą w dziedzinie ekranów grafenowych. Priorytetem jest jednak dla nas rozwój produkcji grafenu ”. Na początek prace skupią się na zagadnieniach związanych z "technologią przesyłu informacji oraz zastosowaniami w dziedzinie technologii energetycznych i czujników".

Uznanie grafenu za jeden z priorytetów unijnych nie zaskakuje. Wystarczy przyjrzeć się liczbie patentów i rozwiązań w różnych dziedzinach, w których grafen odgrywa główną rolę. Europa, mimo że to miejsce gdzie odkryto grafen, pozostaje w tyle za Stanami Zjednoczonymi i krajami azjatyckimi. Jeszcze nic straconego. Pomimo lawinowo rosnącej liczby odkryć nie można odtrąbić grafenowej rewolucji. Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Barbara Kudrycka, liczy, że dzięki zaangażowaniu się ITME w badania, to właśnie "grafen „made in Poland” będzie nie mniej popularny w świecie niż znane i cieszące się uznaniem polskie animacje i gry komputerowe, np. kreacje Tomka Bagińskiego czy Wiedźmin".

W drugim nagrodzonym projekcie (Human Brain Project) uczestniczy z kolei kierowany przez dr. hab. Piotra Bogorodzkiego zespół z Politechniki Warszawskiej. Zajmie się on "tworzeniem bazy danych zawierającej dane obrazowe, genetyczne, kliniczne oraz behawioralne. Powstanie takiej bazy, integrującej wiedzę z wielu dziedzin, ułatwi zrozumienie procesów biologicznych zachodzących w mózgu zdrowych i chorych osób. Jest to kluczowy element opracowywanego modelu mózgu". Szef zespołu przypomina, że „w tej chwili każdego dnia robi się około 100 tys. badań rezonansu magnetycznego głowy. Te badania żyją bardzo krótko. Pacjent przechodzi badanie, lekarz je ogląda a potem wszystko idzie na półkę. Chodzi o to, by te badania były później wykorzystywane do poszukiwania populacyjnych wzorców chorób”. HBP to ogólnoświatowe przedsięwzięcie podejmujące próbę stworzenia wielopłaszczyznowej symulacji ludzkiego mózgu i tworzących się w nim myśli i emocji. Nie jest to łatwe zadanie - oryginał to co najmniej setka miliardów połączeń neuronowych. Przy pracach nad sztucznym odpowiednikiem ludzkiego mózgu mogą znaleźć zastosowanie i powstać liczne nowatorskie technologie.

Czip neuromorficzny składający się z 384 neuronów i 100 tysięcy synaps. Dla celów symulacji, tempo upływu czasu jest 100 tysięcy razy większe niż w rzeczywistości. (foto: Univ. Heidelberg, prof. Karlheinz Meier).

Platforma SpiNNaker składająca się z 48 węzłów służy jako symulator zachowań zachodzących w mózgu pszczoły miodnej. (foto: Steve Furber, University of Manchester)

HBP określany jest jako przedsięwzięcie o skali podobnej do projektu LHC realizowanego w CERNie. Porównanie jest uzasadnione, nie tylko ze względu na niespotykaną skalę, ale także lokalizację centrum projektu w Lozannie w Szwajcarii. Można podejrzewać, że fundusze przyznane na badania będą stanowiły jedynie cząstkę kosztów, jakie w ciągu najbliższych lat poniosą naukowcy. Centra superkomputerowe będą z pewnością miały sporo zleceń od naukowców z HBP, a być może powstanie superkomputer dedykowany tym badaniom, który będzie platformą reprezentującą nową interdyscyplinarną dziedzinę nauki - neuroinformatykę. Warto przy okazji wspomnieć, że studia w tej dziedzinie realizowane są na Uniwersytecie Warszawskim.

Ludzki mózg co chwila zaskakuje naukowców. Nie tylko swoim potencjałem, ale ujawniając niezbyt przyjemne tajemnice. Jak się okazało, loty w Kosmos są niebezpieczne dla człowieka nie tylko ze względu na działanie promieniowania jako czynnika ogólnie niszczącego organizm. Wystawiony na długotrwałe promieniowanie mózg człowieka będzie wykazywał podobne defekty jak nieodpowiednio zabezpieczone przed promieniowaniem układy elektroniczne. Niedawno opublikowano także pracę, z której wynika, że sen jest bardzo istotny na każdym etapie rozwoju i twierdzenie, że starszym ludziom wcale nie potrzeba tak dużo snu, nie musi być słuszne.

Wyróżnienie polskich instytucji naukowych przynosi im chwałę, ale jednocześnie przypomina, że choć polska myśl naukowa jest ceniona, to jej siła oddziaływania na światowy rozwój nie zawsze jest taka, jak byśmy chcieli. Trzeba w nią stale inwestować, a nie zagłębiać się w jałowe spory, których tematyki nie musimy chyba nikomu przypominać.

Źródło: PAP Nauka w Polsce, ITME, Graphene Flagship, The Human Brain Project, Inf.własna