История глазных протезов
В XVIII веке в Париже французским врачом и ученым Шарлем Ле Руа была проведена попытка электрической стимуляции зрительной системы для лечения слепоты. Его незрячий пациент утверждал, что испытал зрительные ощущения и «увидел» вспышки при прохождении электрического тока через намотанную вокруг головы проволоку. В 1823 году немецкий психолог Иоганн Пуркинье впервые описал фосфены (зрительные вспышки), пропуская через голову электрический ток.
В 1978 году американский ученый Билл Добель показал принципиальную возможность восстановления утраченного зрения путем электрической стимуляции головного мозга. Для формирования изображения он использовал видеокамеру. Затем картинка трансформировалась в электрический сигнал и передавалась на зрительную кору. Во время работы этого устройства слепой пациент не только видел вспышки света, но и различал крупные буквы. Но лишь в 1956 году австралийский ученый Дж. И. Тассикер запатентовал первый ретинальный имплант, который не давал какого-то полезного зрения, но показал, что можно искусственно вызывать зрительные сигналы.
Какими бывают протезы
Сегодня все зрительные протезы можно разделить на 2 типа в зависимости от расположения стимулирующих электродов. Они могут располагаться в глазнице (как в полости глаза, так и на зрительном нерве) или вживляться внутрь мозга.
С технической точки зрения протезы сетчатки обычно состоят из 4 основных компонентов: фотоэлектрического преобразователя, внешней электроники, внутренней электроники и массива стимулирующих электродов. Преобразователь нужен для восприятия визуальной информации. Он представляет собой видеокамеру или массив фотодиодов, который имплантируется в сетчатку. Внешняя и внутренняя электроника предназначены для обработки полученных данных и участвуют в формировании электрических импульсов, передаваемых на микроэлектроды для стимуляции сетчатки. Связь между этими двумя частями происходит с помощью кабеля или элекромагнитного излучения. Стимулирующие электроды передают полученную информацию в сохранные части зрительного пути.
При установке внутримозговых имплантов требуется нейрохирургическое вмешательство (операция на головном мозге), что сопряжено с высоким риском инфекционных осложнений. В настоящее время более 100 устройств находятся на стадии доклинических испытаний.
Все зрительные протезы имеют существенные недостатки. Именно над их устранением будут работать ученые в ближайшем будущем. Условно недостатки можно разделить на нейрофизиологические, хирургические и инженерные.
Нейрофизиологические проблемы связаны с постепенным нарушением структуры и функции не только слоя фоторецепторов, но и сетчатки в целом. После гибели фоторецепторов часть биполярных клеток прорастает отростками в соседние слои в поисках возбуждающего сигнала, часть гибнет. Между нейронами устанавливаются новые синаптические связи, отличные от физиологических. Это ведет к спонтанной активности нервных клеток. Она может стать помехой для проведения искусственного сигнала и ухудшать качество зрения.
К хирургическим проблемам относят длительность и техническую сложность имплантации, риск повреждения устройства при установке, сложность его фиксации. Кроме того, существует риск послеоперационных осложнений: воспаления и различные кровоизлияния.
Самая большая инженерная проблема состоит в том, что все зрительные импланты обладают небольшим разрешением и малым углом обзора. Для его расширения до нормы (150°) придется увеличить площадь массива электродов до 20 квадратных сантиметров. Имплантация такой конструкции крайне затруднительна. Поэтому ведется работа по совершенствованию массива электродов. Другие проблемы сводятся к поиску материалов, устойчивых к коррозии, обеспечению неподвижности протеза.
Кроме того, повсеместное распространение этой технологии сдерживает очень высокая цена устройства. Она составляет более 10-15 миллионов рублей. Операция с последующей реабилитацией обходится примерно в эту же сумму.
Шаг к медицине будущего
Импланты сетчатки пока еще далеки от совершенства. Зрение больного с таким протезом очень отдаленно напоминает зрение здорового человека. При этом надо понимать, что это устройство заменяет не всю сетчатку, а лишь один ее слой на очень небольшой площади. О массовой их имплантации сегодня речь не идет. Однако первый шаг уже сделан, и словосочетание «искусственная сетчатка» больше не кажется фантастическим. Над разработкой новых проектов сегодня работают около 100 научных групп. И рано или поздно совместные усилия врачей, инженеров, физиков, нейрофизиологов, математиков, программистов приведут к созданию полноценного искусственного глаза.
Анатомически орган зрения состоит из 3 отделов: периферического (собственно глазное яблоко), проводящего (зрительные пути) и центрального (затылочная доля коры головного мозга).
Причиной слепоты может быть повреждение каждого из отделов органа зрения. Если в периферическом отделе уже давно возможно поменять роговицу, хрусталик и стекловидное тело, то на случай повреждения сетчатки и были разработаны чипы (бионические глаза — это целая система внешних и внутренних устройств).
Ученые из Китая и Оксфорда работают над совершенствованием ретинальных (глазных) имплантов и разрабатывают искусственную сетчатку, фотогальваническую пленку и субретинальное (внутрь глаза) введение полупроводникового полимерного раствора. Трендом в фундаментальных разработках бионических протезов является стремление сделать их максимально безопасными, приближенными к биологическим тканям людей и с максимально возможным разрешением.
Но настоящую революцию вызвали кортикальные импланты, и смысл в ретинальных имплантах почти пропал, так как область их применения скудна. Кортикальные (для коры головного мозга) же импланты значительно расширяют горизонт показаний и позволяют восстанавливать полезное зрение даже людям, вовсе лишенным глаз.
Кортикальные протезы — это подгруппа визуальных нейропротезов, способных вызывать зрительные восприятия у слепых людей посредством прямой электрической стимуляции затылочной коры мозга, которая отвечает за распознавание изображений. Этот подход может быть единственным доступным лечением слепоты, при сохранной затылочной доле коры головного мозга. За последние годы ученые решили задачу создания такого внутрикортикального визуального нейропротеза, с помощью которого можно было бы восстановить ограниченное, но полезное зрение.
В 1968 году доктора Г.С. Бридли и В.С. Левин провели первую операцию по установке кортикальных имплантов. Первый имплант состоял из шапочки с коннекторами (устанавливали на череп под кожу) и отдельной дуги с электродами (устанавливали под череп), которые стимулировали кору головного мозга. Эксперимент был проведен на двух добровольцах для оценки возможности получения полезного зрения. Но эксперимент пришлось остановить из-за возникновения приступов эпилепсии при стимуляции большего количества клеток мозга.
Американские ученые разработали технологию многоканальной внутрикортикальной стимуляции с помощью беспроводных массивов металлических микроэлектродов и создали беспроводную плавающую микроэлектродную решетку (WFMA).
Хотя полное восстановление зрения пока кажется невозможным, кортикальные системы создают по-настоящему значимые визуальные восприятия, при помощи которых слепые люди могут распознавать, локализировать и брать предметы, а также ориентироваться в незнакомой среде. Результат — в существенном повышении уровня жизни слепых и слабовидящих. Такие вспомогательные устройства уже позволили тысячам глухих пациентов слышать звуки и приобретать языковые способности, и такая же надежда существует в области визуальной реабилитации.
Чего добился Маск
Имея вышеперечисленные наработки, компания Neuralink, созданная Илоном Маском, разрабатывает интерфейс «мозг-компьютер» (Brain-Computer Interface, BCI), который может напрямую соединять человеческий мозг с компьютером. Основная цель — создание системы, которая позволит людям взаимодействовать с компьютерами и искусственным интеллектом напрямую через мозг.
Компания уже имеет несколько разработок, часть из которых запатентована. Например, маленький имплант, называемый Link. Этот чип вживляется в мозг через хирургическое вмешательство с помощью робота. Устройство состоит из тонких электродов, которые имплантируются в мозговую ткань и способны измерять электрическую активность нейронов. Электроды имеют толщину всего несколько микрометров, что позволяет минимизировать повреждение тканей. Нейроны в мозге общаются друг с другом с помощью электрических сигналов, генерируемых в процессе мышления, восприятия и принятия решений. Электроды регистрируют эти электрические импульсы и передают их на чип для обработки. Цель — декодировать эти сигналы и преобразовать их в цифровые данные, которые могут быть переданы на компьютер.
Передача данных осуществляется беспроводным способом. Чип может отправлять данные о нейронной активности на внешний компьютер, смартфон или другое устройство для дальнейшей обработки. В будущем планируется реализация двусторонней связи, что означает, что не только мозг сможет посылать сигналы на компьютер, но и компьютер сможет отправлять сигналы обратно в мозг, что теоретически открывает возможности для создания «расширенного интеллекта» (синергии человеческого мозга с искусственным интеллектом).
Еще одна разработка - обратная связь и стимуляция. Специальный чип потенциально может не только записывать активность мозга, но и стимулировать определенные участки мозга с помощью электрических импульсов. Это и послужило созданию искусственного зрения.
Компания Маска находится в стадии активных исследований и разработки, и многие из описанных возможностей пока не реализованы в полной мере, однако потенциал этой технологии огромен. Ученые активно ведут исследования и разработки в области интерфейса «мозг-компьютер», и хотя компания находится на ранних стадиях создания полноценного продукта для массового использования, некоторые результаты их исследований уже стали известны.
Так, Neuralink уже провела успешные эксперименты на животных, продемонстрировав работоспособность своих имплантируемых устройств. Одним из первых публичных экспериментов была демонстрация на свинье по имени Гертруда в 2020 году. В ходе эксперимента в мозг свиньи был имплантирован чип. Компания продемонстрировала, что имплант способен читать и передавать нейронные сигналы, связанные с различной активностью животного, в реальном времени. Когда свинья что-то нюхала или ела, нейронная активность отображалась на экране, показывая работу устройства.
В 2021 году состоялся успешный эксперимент с макакой по имени Пейджер. В этом эксперименте Пейджеру был имплантирован чип, и животное могло «играть в видеоигры» (в том числе игру «Понг») только с помощью своих мыслей, без использования джойстика.
А в 2023 году прошел успешный эксперимент с человеком по имени Ноланд Арбо. Арбо, будучи полностью парализованным, играл в видеоигру Civilization с помощью своих мыслей, без использования джойстика.в течение 8 часов.
Еще одна разработка - ультратонкие электроды (толщиной в несколько микрометров), которые вживляются в мозговую ткань с минимальным повреждением. Это ключевое технологическое решение для долговременной имплантации и безопасного использования устройства.
Уже создан и робот, который способен с высокой точностью имплантировать электроды в мозг. Это важно, так как ручное внедрение такого устройства может быть опасным для человека. Робот выполняет эту задачу с высокой точностью, избегая крупных кровеносных сосудов.
Ну и немаловажно то, что чип может передавать нейронные данные беспроводным способом, что делает возможным использование устройства без внешних проводов и увеличивает комфорт пользователя.
А что дальше
Новые технологии позиционируются как потенциальное средство для лечения различных неврологических заболеваний. Например, паралича: есть надежда, что в будущем люди, страдающие этим заболеванием, смогут использовать чип для управления протезами, компьютерами или другими устройствами с помощью своих мыслей.
Чипы планируется использовать у людей с потерей зрения и слуха. Рассматривается возможность использования чипов для восстановления сенсорных функций, например, восстановления зрения или слуха а счет стимуляции нейронов, отвечающих за эти функции.
В долгосрочной перспективе новинки смогут помочь в лечении болезней Паркинсона, эпилепсии, депрессии и других нарушений, связанных с мозговой активностью, через электрическую стимуляцию определенных областей мозга.
Конечно, очень важно, чтобы импланты могли безопасно оставаться в мозге человека на длительные периоды времени без значительных побочных эффектов. Сегодня ученые активно изучают этот вопрос. В том числе, как импланты взаимодействуют с тканями мозга и как минимизировать воспалительные реакции или деградацию устройства со временем.
В будущем Маск надеется сделать свои технологии доступными для широкого использования, включая здоровых людей, которые смогут использовать интерфейсы для расширения когнитивных возможностей, расширения границ зрения в ультрафиолетое и инфракрасное и более эффективного взаимодействия с цифровыми устройствами.
Пока все это кажется фантастикой, осталось совсем немного, чтобы она стала реальностью. В частности, одолеть технические задачи, связанные с долговечностью имплантов, точностью интерпретации сигналов мозга и предотвращением возможных осложнений у пользователей. А значит, нужно пройти множество этапов испытаний и исследований, прежде чем устройства станут широко доступными. И хотя технология потенциально поможет в восстановлении зрения, особенно для людей с определенными типами слепоты, вероятность успеха будет зависеть от конкретных причин потери зрения и степени повреждения нервных структур.
