Новий імплантат для сліпих підключається безпосередьно в мозок

Дослідникам вдалось обійтись без використання очей, встановив у мозок імплантат, що забезпечує рудиментарний зір.

Вказуючи на товсту чорну лінію, яка пробігає по білому листку картону, Бернардета Гомез говорить «Аллі — там».

Не зовсім вражаюче досягнення для 57-річної жінки — от тільки Гомез незряча. Вона не бачить вже більше десяти років. Коли їй було 42 роки, токсична оптична нейропатія знищила нерви, які зʼєднують оці з мозком, і вона повністю втратила зір.

Після 16 років темряви Гомез надали шестимісячне вікно, під час якого вона могла бачити подобу навколишнього світу в дуже низькій роздільній здатності, надане жовто-білими точками та фігурами. Це стало можливим завдяки модифікованим окулярам с крихітною камерою. Прилад підключений до компʼютера, що обробляє картинку в реальному часі і перетворює її в електричні сигнали. Звисаючий зі стелі кабель зʼєднує систему з розʼємом, що вбудовно в потилицю Гомез, яка підключена до імплантату зі 100 контактами, що розташано в зоровій корі задньої частини її мозку.

За допомогою приладу Гомез розрізняла світильники на стелі, найпростіші форми, надруковані на папері та людей. Вона навіть зіграла в найпростішу гру, на кшталт PacMan на компʼютері, яку він спроектував їй прямо в мозок. Чотири дні на тиждень під час експерименту Гомез проводжав у лабораторію її чоловік.

Перший момент набуття зору Гомез в кінці 2018 року став кульмінацією десятиліть дослідів, проведених Едуардо Фернандесом, директором нейроінженерного відділу.Університету ім. Мігеля Хернандеса в Ельче, Іспанія. Його мета — повернути зір якомога більшій кількості х 36 млн сліпих людей по всьому світу, які б хотіли бачити знову. Підхід Фернандеса особливо цікавий тим, що він не використовує око та зорові нерви.

Більш ранні досліди проводились у спробах повернути зір шляхом створення штучного ока або сітчатки. Підхід працював, однак у більшої частини сліпих, як у Гомез, пошкоджена нервова система, що зʼєднує сітчатку із задньою частиною мозку. Штучне око не вирішить проблему їх сліпоти. Тому в 2015 році компанія Second Sight, яка в 2011 році в Європі, та в 2013 році в США отримала дозвіл на продажу штучної сітчатки при рідкісному захворюванні retinitis pigmentosa переключила роботу двух десятиліть із сітчатки на кору мозку. В Second Sight кажуть, що штучну сітчатку Argus 2 зараз використовують трохи більше ніж 350 людей.

Відновлення зору шляхом подачі сигналів напряму в мозок — задача амбіційна. Однак її базові принципи використовувались в електронних медичних імплантатах на людях десятиліттями. «На сьогодні, - пояснює Фернандес, - існує багато електронних приладів, які взаємодіють з тілом людини. Наприклад, електрокардиостимулятори. Якщо говорити про органи чуття, то у на є кохлеарні імплантати».

Останній згаданий прилад — це слухова версія протезу, створеного Фернандесом для Гомез: зовнішній мікрофон і обролююча система, що передає цифровий сигнал на імплантат, що розташований у внутрішньому вусі. Електроди імплантата відправляють імпульси струму в найближчі нерви, що мозок інтерпретує як звук. Кохлеарний імплантат, вперше встановлений пацієнту в 1961 році дозволяє більше півмільйону людей по всьому світу нормально спілкуватись в повсякденному режимі.

«Першим нашим пацієнтом була Берна, але за останні роки ми встановили імплантати ще пʼяти незрячим, - говорить Фернандес. Ми проводили подыбны експерименти на тваринах, але вони не здатні пояснити, що бачать».

А Берна здатна.

Для участі в цьому експрименті потрібна сміливість. Для встановлення імплантата необхідно було провести хірургічну операцію на тілі, в цілому здоровому — і це завжди ризик. А потім потрібно було видалити його через шість місяців, оскільки протез не був схвалениц для довгочасного носіння.

Ще не побачивши Гомез, я її вже чую. У неї голос жінки, на десять років молодшої за її реального віку. Слова в мові зважені, голос м'який, інтонації теплі, впевнені й рівні.

Побачившись з нею в лабораторії, я помічаю, що Гомез так добре познайомилася з планом приміщення, що їй практично не потрібна допомога при переміщенні по коридору і сусіднім кімнатах. Коли я підходжу до неї, щоб привітатися, її обличчя спочатку спрямоване не в тому напрямку, поки я не кажу їй «привіт». Коли я подаю їй руку для вітання, її чоловік направляє її кисть в мою.

Сьогодні Гомез приїхала на МРТ мозку, щоб оцінити його стан через півроку після видалення імплантату (у підсумку все добре). Також вона зустрічається з приїхавшим туди потенційним другим пацієнтом, який теж присутній під час мого візиту. У якийсь момент, коли Фернандес пояснює, як обладнання приєднується до черепа, Гомез перериває обговорення, нахиляється і притискає руку потенційного пацієнта до свого потилиці, де стояв металевий роз'єм. Сьогодні там практично немає свідоцтв порту. За її словами, хірургічне втручання було настільки безпроблемним, що вже на наступний день вона приїхала в лабораторію, щоб підключитися і почати експеримент. З тих пір ніяких проблем або болів у неї не було.

Гомез пощастило. У довгій історії експериментів, що призвело до її успішної імплантації, змішане минуле. У 1929 році німецький невролог Отфрид Ферстер виявив, що може викликати появу білої точки в поле зору пацієнта, встромивши електрод в зорову кору мозку під час хірургічної операції. Він назвав це явище фосфеном. Вчені і автори НФ-романів з тих пір уявляли собі потенціал протезів, що зв'язують камеру і комп'ютер з мозком. Деякі дослідники навіть створювали рудиментарні системи подібного штибу.

На початку 2000-х гіпотеза перетворилася в реальність, коли ексцентричний біомедик-дослідник Вільям Добель встановив подібний протез в голову експериментального пацієнта.

У 2002 році письменник Стівен Котлер з жахом спостерігав за тим, як Добель підняв напругу, і пацієнт впав на підлогу в припадку. Виявилося, що мозку не подобається занадто сильна стимуляція занадто великим струмом. У пацієнтів Добеля також спостерігалися проблеми з інфекціями. Але при цьому Добель рекламував свій громіздкий пристрій практично як готове до повсякденного використання, доповнюючи рекламу відеороликом, на якому сліпа людина повільно і невпевнено веде машину на закритій парковці. Після смерті Добеля в 2004 році з ним пішов і його протез.

На відміну від Добеля, який заявляв про лікування сліпоти, Фернандес постійно говорить речі типу «не хочу даремно вселяти в вас надію» і «ми сподіваємося, що у нас вийде придатна для використання система, але поки ми проводимо ранні експерименти».

Але Гомез насправді змогла бачити.

Якщо базова ідея повернення зору Гомез досить проста - підключаємо камеру до відеокабелю, що веде в мозок - то деталі її зовсім не прості. Фернандесу з командою спочатку довелося розібратися з підключенням камери. Який сигнал видає сітківка людини? Намагаючись відповісти на це питання, Фернандес бере сітківку у недавно померлих людей, підключає її до електродів, світить на неї і вимірює струм. Його лабораторія тісно співпрацює з місцевими госпіталями, звідки іноді можуть зателефонувати і вночі, повідомляючи про смерть донора органів. Сітківку людини можна підтримувати в живому стані не більше семи годин. Також його команда використовує машинне навчання, щоб зіставити електричні сигнали сітківки з простими зоровими образами, що допомагає їм писати ПЗ, що автоматично імітує цей процес.

Наступний крок - взяти цей сигнал і доставити його в мозок. У створеному Фернандесом для Гомез протезі кабель з'єднується з імплантатом відомої схеми, "масив Юта", що має розмір приблизно як у пимпочки на позитивному торці батарейки ААА. З нього стирчить 100 гострих електродів висотою в міліметр - все разом виглядає як ложе з цвяхів. Кожен електрод доставляє струм до декількох нейронів, від одного до чотирьох. При установці імплантату електроди протикають поверхню мозку; при видаленні в отворах формується 100 крихітних крапельок крові.

Фернандесу потрібно було калібрувати електроди по одному, відправляючи на них сигнали з напругою, що поступово збільшується, до тих пір, поки Гомез не говорила, де і коли бачить фосфен. Калібрування всієї сотні електродів зайняла більше місяця.

«Перевага нашого підходу в тому, що електроди масиву входять в мозок і знаходяться близько до нейронів», - говорить Фернандес. Це дозволяє імплантату забезпечувати зір з використанням якнайменших струмів в порівнянні з системою Добеля, що різко знижує ризик нападів.

Великий недолік проблеми - і основна причина того, чому Гомез не дозволили ходити з протезом понад шість місяців - полягає в тому, що ніхто не знає, як довго електроди зможуть існувати до того, як почнуть деградувати або імплантат, або мозок користувача. «Імунна система тіла починає ламати електроди і оточувати їх рубцевою тканиною, що послаблює сигнал», - сказав Фернандес. Також існує проблема згинання електродів при рухах людини. Судячи з експериментів над твариною й ранніми результатами користування протеза Гомез, він підозрює що поточна схема може протриматися два-три роки, можливо, до десяти років, перед тим, як відмовити. Фернандес сподівається, що невеликі правки допоможуть розтягнути цей період на кілька десятиліть - що критично важливо для медичного обладнання, що вимагає хірургічного втручання.

В кінцевому підсумку протезу, як і кохлеарної імплантати, потрібно буде передавати сигнали й енергію без проводів, крізь череп. Але поки що для експериментів протез підключають кабелем - це залишає більше можливостей для оновлення обладнання перед тим, як зупинитися на певній схемі його роботи.

З дозволом в 10х10 пікселів, максимального потенціалу для імплантату Гомез, можна розрізняти базові форми типу букв, дверного отвору або тротуару. З контурами обличчя і тим більше деталями обличчя людини все складніше. Тому Фернандес доповнив свою систему програмою розпізнавання образів, яка визначає особистість людини та надсилає в мозок Гомез візерунок з фосфенов, який вона навчилася розпізнавати.

На одному слайді презентації технології Фернандес пише, що «зір можливо» з дозволом і 25х25 пікселів. А оскільки в поточному варіанті масив Юта настільки малий і вимагає такої невеликої енергії, Фернандес каже, що немає ніяких технічних обмежень, які перешкоджали б його команді в установці чотирьох або шести імплантатів з різних сторін мозку, що дало б зір з дозволом 60х60 пікселів або більше. І все ж ніхто не знає, скільки входить у такий спосіб інформації від подібних пристроїв мозок зможе переварити без перевантажень.

Гомез розповіла мені, що якби у неї був вибір, вона б залишила імплантат, і буде першою в черзі на його оновлену версію. Коли Фернандес закінчить аналізувати її масив, Гомез планує помістити його в рамочку і повісити на стіні у вітальні.

У лабораторії Фернандеса він пропонує мені підключитися до неінвазивного пристрою, який він використовує для вивчення пацієнтів.

Сидячи в тому ж шкіряному кріслі, в якому перебувала Гомез в минулому році під час проривного експерименту, я відчуваю, як нейробіолог притискає паличку з двома кільцями до моєї голови з одного боку. Це пристрій, «котушка-метелик», пов'язаний з коробкою, що збуджує нейрони в мозку за допомогою потужних електромагнітних імпульсів. Це явище називається транскраніальна магнітна стимуляція. Перший імпульс схожий на удар скальпа струмом. Пальці рук мимоволі впиваються в долоню. «Дивіться, працює!» - сміється Гомез. «Це ваша моторна кора. Тепер спробуємо викликати у вас фосфен ».

Нейробіолог змінює положення палички і налаштовує машину на швидко повторювані імпульси. На цей раз після запуску я відчуваю поколювання в потилиці, ніби хтось використовує мій череп як дверний калатало. Потім, хоча очі мої відкриті, я бачу щось дивне: яскраву горизонтальну лінію, яка мерехтить у центрі мого поля зору, а також два яскравих трикутники заповнені чимось на зразок зображення на телевізорі при відсутності сигналу. Зображення пропадає так само швидко, як з'явилося, залишаючи після себе невелике післясвітіння.

«Приблизно те ж може бачити Берна», - говорить Фернандес. Тільки її «погляд» на світ залишається більш стабільним, поки в мозок надходить сигнал. Вона також могла повернути голову і за допомогою окулярів озирнутися в кімнаті. Я бачив лише внутрішні фантоми мозку, стимульованого електрикою. Гомез ж змогла протягнути руку і доторкнутися до світу, на який вона дивилася, вперше за останні 16 років.

Найсвіжіші новини: