[Перевод] Новый имплантат для слепых подключается напрямую к мозгу
Исследователям удалось обойтись без использования глаз, установив в мозг имплантат, обеспечивающий рудиментарное зрение
«Алли», — говорит Бернардета Гомез на своём родном испанском, указывая на толстую чёрную линию, бегущую по белому листу картона, расположенному на расстоянии вытянутой руки от неё. «Там».
Не слишком впечатляющее достижение для 57-летней женщины — вот только Гомез слепа. И не видит уже более десяти лет. Когда ей было 42 года, токсическая оптическая нейропатия уничтожила нервы, соединяющие глаза Гомез с мозгом, и она полностью лишилась зрения. Она не может даже распознавать свет.
Но после 16 лет тьмы Гомез предоставили шестимесячное окно, во время которого она могла видеть подобие окружающего мира в очень низком разрешении, представленное жёлто-белыми точками и фигурами. Это стало возможным благодаря модифицированным очкам с крохотной камерой. Устройство подключено к компьютеру, обрабатывающему картинку в реальном времени и превращающему её в электрические сигналы. Свисающий с потолка кабель соединяет систему с разъёмом, встроенным в затылок Гомез, подключённому к имплантату со 100 контактами, помещённому в зрительную кору задней части её мозга.
Бернардета Гомез в очках с камерой. К сожалению, имплантат из мозга у неё уже вынули — пока это временное устройство
С помощью устройства Гомез различала потолочные светильники, простейшие формы, напечатанные на бумаге и людей. Она даже поиграла в простейшую игру вроде Pac-Man на компьютере, которую тот проецировал ей прямо в мозг. Четыре дня в неделю во время эксперимента Гомез приводил в лабораторию её зрячий муж, где её подключали к системе.
Первый момент обретения зрения Гомез в конце 2018 года стал кульминацией десятилетий исследований, проведённых Эдуардо Фернандесом, директором нейроинженерного отделения Университета им. Мигеля Хернандеса в Эльче, Испания. Его цель — вернуть зрение как можно большему количеству из 36 млн слепых людей по всему миру, желавших бы видеть снова. Подход Фернандеса особенно интересен потому, что он не использует глаз и зрительные нервы.
Более ранние исследования проводились в попытках вернуть зрение путём создания искусственного глаза или сетчатки. Подход работал, однако у большей части слепых, как у Гомез, повреждена нервная система, соединяющая сетчатку с задней частью мозга. Искусственный глаз не решит проблему их слепоты. Поэтому в 2015 году компания Second Sight, в 2011 году в Европе, и в 2013 году в США получившая разрешение на продажу искусственной сетчатки при редком заболевании retinitis pigmentosa переключила работу двух десятилетий с сетчатки на кору мозга. В Second Sight говорят, что искусственную сетчатку Argus II сейчас использует чуть больше 350 человек.
Во время моего последнего визита в усеянный пальмами город Элчо, Фернандес рассказал мне, что прорывы в технологии имплантатов и улучшенное понимание зрительной системы человека позволяют ему уверенно переключаться на работу непосредственно с мозгом. «Информация в нервной системе не отличается от информации в электронном устройстве», — говорит он.
Восстановление зрения путём подачи сигналов напрямую в мозг — задача амбициозная. Однако базовые её принципы использовались в электронных медицинских имплантатах на людях десятилетиями. «На сегодня, — поясняет Фернандес, — существует множество электронных устройств, взаимодействующих с телом человека. Например, электрокардиостимуляторы. Если говорить об органах чувств, то у нас есть кохлеарные имплантаты».
Эдуардо Фернандес
Последнее упомянутое устройство — это слуховая версия протеза, созданного Фернандесом для Гомез: внешний микрофон и обрабатывающая система, передающая цифровой сигнал на имплантат, расположенный во внутреннем ухе. Электроды имплантата отправляют импульсы тока в близлежащие нервы, что мозг интерпретирует как звук. Кохлеарный имплантат, впервые установленный пациенту в 1961 году, позволяет более полумиллиону людей по всему миру нормально общаться в повседневном режиме.
«Первым нашим пациентом была Берна, но за последние пару лет мы установили имплантаты ещё пяти слепым, — говорит Фернандес, зовущий Гомез по имени. — Мы проводили сходные эксперименты на животных, но кошка или обезьяна не способны объяснить, что они видят».
А Берна способна.
Для участия в этом эксперименте нужна была смелость. Для установки имплантата требовалось провести хирургическую операцию на теле, в целом здоровом — и это всегда риск. А потом нужно было удалить его через шесть месяцев, поскольку протез не был одобрен для долговременного ношения.
Припадки и фосфены
Ещё не увидев Гомез, я её уже слышу. У неё голос женщины, на десять лет моложе её реального возраста. Слова в речи взвешены, голос мягкий, интонации тёплые, уверенные и ровные.
Увидевшись с ней в лаборатории, я замечаю, что Гомез так хорошо познакомилась с планом помещения, что ей практически не нужна помощь при перемещении по коридору и соседним комнатам. Когда я подхожу к ней, чтобы поздороваться, её лицо сначала направлено не в том направлении, пока я не говорю ей «привет». Когда я подаю ей руку для приветствия, её муж направляет её кисть в мою.
Сегодня Гомез приехала на МРТ мозга, чтобы оценить его состояние через полгода после удаления имплантата (в итоге всё хорошо). Также она встречается с приехавшим туда потенциальным вторым пациентом, который тоже присутствует во время моего визита. В какой-то момент, когда Фернандес поясняет, как оборудование подсоединяется к черепу, Гомез прерывает обсуждение, наклоняется и прижимает руку потенциального пациента к своему затылку, где стоял металлический разъём. Сегодня там практически нет свидетельств порта. По её словам, хирургическое вмешательство было настолько беспроблемным, что уже на следующий день она приехала в лабораторию, чтобы подключиться и начать эксперимент. С тех пор никаких проблем или болей у неё не было.
Гомез повезло. У долгой истории экспериментов, приведшей к её успешной имплантации, смешанное прошлое. В 1929 году немецкий невролог Отфрид Фёрстер обнаружил, что может вызвать появление белой точки в поле зрения пациента, воткнув электрод в зрительную кору мозга во время хирургической операции. Он назвал это явление фосфеном. Учёные и авторы НФ-романов с тех пор представляли себе потенциал протезов, связывающих камеру и компьютер с мозгом. Некоторые исследователи даже создавали рудиментарные системы подобного толка.
В начале 2000-х гипотеза превратилась в реальность, когда эксцентричный биомедик-исследователь Уильям Добель устпновил подобный протез в голову экспериментального пациента.
В 2002 году писатель Стивен Котлер с ужасом наблюдал за тем, как Добель поднял напряжение, и пациент упал на пол в припадке. Оказалось, что мозгу не нравится слишком сильная стимуляция слишком большим током. У пациентов Добеля также наблюдались проблемы с инфекциями. Но при этом Добель рекламировал своё громоздкое устройство практически как готовое к повседневному использованию, дополняя рекламу видеороликом, на котором слепой человек медленно и неуверенно ведёт машину на закрытой парковке. После смерти Добеля в 2004 год с ним ушёл и его протез.
В отличие от Добеля, заявлявшего о лечении слепоты, Фернандес постоянно говорит вещи типа «не хочу зря вселять в вас надежду» и «мы надеемся, что у нас получится пригодная для использования система, но пока мы проводим ранние эксперименты».
Но Гомез на самом деле смогла видеть.
Ложе из гвоздей
Если базовая идея возвращения зрения Гомез довольно простая — подключаем камеру к видеокабелю, ведущему в мозг — то детали её совсем не просты. Фернандесу с командой сначала пришлось разобраться с подключением камеры. Какой сигнал выдаёт сетчатка человека? Пытаясь ответить на этот вопрос, Фернандес берёт сетчатку у недавно умерших людей, подключает её к электродам, светит на неё и измеряет ток. Его лаборатория тесно сотрудничает с местным госпиталям, откуда иногда могут позвонить и ночью, сообщая о смерти донора органов. Сетчатку человека можно поддерживать в живом состоянии не более семи часов. Также его команда использует машинное обучение, чтобы сопоставить электрические сигналы сетчатки с простыми зрительными образами, что помогает им писать ПО, автоматически имитирующее этот процесс.
Следующий шаг — взять этот сигнал и доставить его в мозг. В созданном Фернандесом для Гомез протезе кабель соединяется с имплантатом известной схемы, «массив Юта», имеющим размер примерно как у пимпочки на положительном торце батарейки ААА. Из него торчит 100 острых электродов высотой в миллиметр — всё вместе выглядит как ложе из гвоздей. Каждый электрод доставляет ток до нескольких нейронов, от одного до четырёх. При установке имплантата электроды протыкают поверхность мозга; при удалении в отверстиях формируется 100 крохотных капелек крови.
Фернандесу нужно было калибровать электроды по одному, отправляя на них сигналы с постепенно увеличивающимся напряжением, до тех пор, пока Гомез не говорила, где и когда видит фосфен. Калибровка всей сотни электродов заняла больше месяца.
«Преимущество нашего подхода в том, что электроды массива входят в мозг и находятся близко к нейронам», — говорит Фернандес. Это позволяет имплантату обеспечивать зрение с использованием куда как меньших токов по сравнению с системой Добеля, что резко снижает риск припадков.
Большой недостаток проблемы — и основная причина того, почему Гомез не разрешили ходить с протезом более шести месяцев — состоит в том, что никто не знает, как долго электроды смогут существовать до того, как начнут деградировать либо имплантат, либо мозг пользователя. «Иммунная система тела начинает ломать электроды и окружать их рубцовой тканью, что ослабляет сигнал», — сказал Фернандес. Также существует проблема изгибания электродов при движениях человека. Судя по экспериментам над животным и по ранним результатам использования протеза Гомез, он подозревает что текущая схема может продержаться два-три года, возможно, до десяти лет, перед тем, как отказать. Фернандес надеется, что небольшие правки помогут растянуть этот период на несколько десятилетий — что критически важно для медицинского оборудования, требующего хирургического вмешательства.
В конечном итоге протезу, как и кохлеарному имплантату, нужно будет передавать сигналы и энергию без проводов, сквозь череп. Но пока что для экспериментов протез подключают по кабелю — это оставляет больше возможностей для обновления оборудования перед тем, как остановиться на определённой схеме его работы.
С разрешением в 10×10 пикселей, максимального потенциала для имплантата Гомез, можно различать базовые формы типа букв, дверного проёма или тротуара. С контурами лица и тем более деталями лица человека всё сложнее. Поэтому Фернандес дополнил свою систему программой распознавания образов, которая определяет личность человека и отправляет в мозг Гомез узор из фосфенов, который она научилась распознавать.
На одном слайде презентации технологии Фернандес пишет, что «зрение возможно» с разрешением и 25×25 пикселей. А поскольку в текущем варианте массив Юта настолько мал и требует такой небольшой энергии, Фернандес говорит, что нет никаких технических ограничений, препятствовавших бы его команде в установке четырёх или шести имплантатов с разных сторон мозга, что дало бы зрение с разрешением 60×60 пикселей или более. И всё же никто не знает, сколько входящей таким способом информации от подобных устройств мозг сможет переварить без перегрузок.
Как это выглядит
Фернандес и его аспирант с прототипом камеры, подключенным к компьютеру
Гомез рассказала мне, что если бы у неё был выбор, она бы оставила имплантат, и будет первой в очереди на его обновлённую версию. Когда Фернандес закончит анализировать её массив, Гомез планирует поместить его в рамочку и повесить на стене в гостиной.
В лаборатории Фернандеса он предлагает мне подключиться к неинвазивному устройству, которое он использует для изучения пациентов.
Сидя в том же кожаном кресле, в котором находилась Гомез в прошлом году во время прорывного эксперимента, я ощущаю, как нейробиолог прижимает палочку с двумя кольцами к моей голове с одной стороны. Это устройство, «катушка-бабочка», соединено с коробкой, возбуждающей нейроны в мозге при помощи мощных электромагнитных импульсов. Это явление называется транскраниальная магнитная стимуляция. Первый импульс похож на удар скальпа током. Пальцы рук непроизвольно впиваются в ладонь. «Смотрите, работает!» — посмеивается Гомез. «Это ваша моторная кора. Теперь попробуем вызвать у вас фосфены».
Нейробиолог меняет положение палочки и настраивает машину на быстро повторяющиеся импульсы. На этот раз после запуска я ощущаю покалывания в затылке, будто кто-то использует мой череп в качестве дверной колотушки. Затем, хотя глаза мои открыты, я вижу нечто странное: яркую горизонтальную линию, мерцающую в центре моего поля зрения, а также два светящихся треугольника заполненных чем-то вроде изображения на телевизоре при отсутствии сигнала. Изображение пропадает так же быстро, как появилось, оставляя после себя небольшое послесвечение.
«Примерно то же может видеть Берна», — говорит Фернандес. Только её «взгляд» на мир остаётся более стабильным, пока в мозг поступает сигнал. Она также могла повернуть голову и при помощи очков оглядеться в комнате. Я видел всего лишь внутренние фантомы мозга, стимулированного электричеством. Гомез же смогла протянуть руку и потрогать мир, на который она смотрела, впервые за последние 16 лет.
