Нанолазеры помогли заглянуть в работающий мозг

Синапс, образованный окончанием дендрита (древовидного отростка нейрона). Иллюстрация Science Daily

Лазеры представляют собой неравновесные системы, материал (или среда) которых определяет геометрию полости, взаимодействующей с нелинейными волнами, генерируемыми в результате накачки за счет энергии прилагаемого тока (световая амплификация и дала название этим устройствам). Про материал и про действие на него знали еще до создания первых люминесцентных ламп, излучающих свет, содержащий волны разной длины.

Выяснилось, однако, что увеличение силы тока порождает квантовый эффект «накачки». В результате свет становится в высочайшей степени «упорядоченным» (когерентным). Однако дальнейшее повышение энергии приводит к тому, что области «накачки» (gain) и «слива» (loss) начинают взаимодействовать и соответственно гасить друг друга. Ученые говорят, что интерференция начинает «пожирать» энергию. А результат – снижение интенсивности лазерного луча.

Ромбическая полость (cavity) лазера большей интенсивности. Иллюстрация Physorg

В Принстоне и Технологическом университете Вены открыли интересное явление взаимного выключения двух нанолазеров, расположенных на расстоянии, которое в 50 раз меньше их диаметра (2 нанометра). Электрический ток, питающий один из лазеров, генерирует типичную картину интерференции с пиками и провалами интенсивности. Когда начиналось осторожное запитывание второго лазера, оба они выключались в результате взаимного «подавления» энергии в общей системе.

Ученые обрадовались столь необычной находке, о чем сообщили в одном из приложений журнала Nature, поскольку они получили в свое распоряжение новый способ контроля оптических систем. Нанолазеры легко разместить на стандартном чипе, что обещает прогресс в деле создания оптических компьютеров.

Через четыре месяца группа опубликовала новую статью в том же журнале. На этот раз ученые рассказали о новой геометрии лазерных modes, увеличивающей «светимость» на несколько порядков (в десятки раз)! Известно, что когерентное излучение генерируется в кольце по периферии диска лазерного материала. Повышение энергии ведет к смещению кольца к центру, что уменьшает расстояние между «модами», которые начинают взаимодействовать и конкурировать друг с другом, что не дает прибавки интенсивности.

Математические расчеты и компьютерное моделирование показали, что геометрия материала должна быть не дисковидной, а в форме ромба. Ранее технологи могли повышать интенсивность лазерного излучения за счет выбора материала или воздействуя на его полость. В Вене и Принстоне нашли свой особый путь в виде высокоточного инжиниринга областей с пиками и провалами, что дает повышение интенсивности при снижении расхода энергии.

Нанолазеры уже сегодня находят применение в исследованиях живых клеток (так называемые cell-reporters). Так, еще одно приложение Nature опубликовало статью из Калифорнийского университета в Сан-Диего, сотрудники которого получили ген-модифицированные клетки, способные улавливать ничтожные количества допамина. Это вещество регулирует в мозге обучение и память, чувство удовлетворения и удовольствия, а также развитие разного рода зависимостей. Синтезируемый в глубине мозга допамин воздействует на клетки лобной коры, регулируя потоки нервных сигналов.

Нанолазеры, сближенные друг с другом. Иллюстрация Physorg

В полном соответствии с заветами академика Ивана Павлова калифорнийцы приучили мышей «связывать» звук определенного тона с вознаграждением, что порождало мозговую реакцию, проявляющуюся в слизывании капель сладкого сока. Прохождение соответствующих сигналов по нейрональным сетям возбуждало реагирующие на допамин синапсы нервных клеток, которые начинали светиться под действием лазера. А вживленные электроды регистрировали выделение допамина.

Так ученые в режиме реального времени смогли впервые проследить за реакцией мозга на это вещество удовольствия. Авторы подчеркивают, что расстройство допаминовой системы ведет к самым разным заболеваниям, в том числе к паркинсонизму и шизофрении.