Клетка ХIХ. Возвращение зрения человеку
Еще вчера вещи, казавшиеся фантастикой, сегодня становятся явью. Биотехнологии продолжают удивлять мир своими достижениями. Здесь речь пойдет о возвращении утраченного человеком зрения. Причины такой утраты могут быть самые разнообразные: увечья, аварии, заболевания и др. пути восстановления также могут различаться.
По данным Международного агентства по профилактике слепоты, сегодня примерно 284 миллиона жителей Земли имеют те или иные нарушения зрения, около 39 миллионов из них полностью его лишены. Слепые люди учатся взаимодействовать с миром и активно жить, независимо от нарушения их зрения. По оценкам, лишь от 2% до 8% слепых людей используют для навигации трость. Другие полагаются на собаку-поводыря, частичное зрение или зрячего помощника. Помимо навигации, слепые люди могут делать почти все, что могут делать зрячие: готовить пищу, наносить макияж, пользоваться компьютером. С помощью доступных технологий и гаджетов и собственной силы воли слепые люди могут быть независимыми.
Более четверти от всего количества слепых людей страдают от нейродегенеративных заболеваний сетчатки, когда гибнут зрительные клетки. В России количество незрячих и слабовидящих превышает 210 тысяч человек. По прогнозу, в ближайшие десятилетия эти цифры в мире будут существенно расти. Уже сейчас ежегодно примерно 45 тысяч человек становятся инвалидами из-за проблем со зрением. Из них более половины — дети и подростки в возрасте до 18 лет.
Ученые всего мира ломают головы над решением проблемы слепоты — над тем, как остановить потерю зрения и как вернуть его уже ослепшим людям. Люди с сильной потерей зрения получают доступ к компьютеру (Интернету) с помощью вспомогательных технологий двумя различными способами. Первый способ — использование дисплея Брайля, который подключается к компьютеру и построчно преобразует текст в Брайль. Второй способ — программа чтения с экрана, которая вслух считывает информацию. Это также реализовано на смартфонах, где есть такие технологии, как TalkBack или VoiceOver.
Существуют и другие подходы решения проблемы.
Введение
Есть другой подход — оптогенетика. Оптогенетика — методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов — опсинов, реагирующих на возбуждение. Оптогенетика — фантастический способ управления определенными клетками живого организма (чаще всего нервными и мышечными) с помощью света. В настоящее время обнаружены первые анионные канальные родопсины. Эти белки под действием света пропускают внутрь клетки ионы хлора, что приводит к гиперполяризации мембраны и, следовательно, подавлению электрической активности возбудимых клеток. Таким образом, светом стало возможно не только возбуждать клетки, но тормозить в них возбуждение.
Ранее были известны канальные родопсины, избирательно пропускающие внутрь клетки катионы (положительно заряженные ионы), что приводит к возбуждению нейрона (подробнее об этом можно прочитать в статье »Светлая голова» [1]). Лишь совсем недавно ученым удалось найти канальные родопсины, через которые в клетку могут поступать только анионы (отрицательно заряженные ионы). Таким образом, теперь стало возможно не только эффективно стимулировать, но и подавлять активность нервных клеток при помощи света.
Оптогенетика же позволяет за счет использования промоторов, специфических для данного типа нейронов, возбуждать только их — независимо от того, сколько других нейронов находится поблизости, и не внося при этом никаких нарушений в структуру клетки. Кроме того, стимулирующий световой луч может быть сфокусирован до размеров одной клетки, что позволяет избирательно и неинвазивно стимулировать или тормозить специфические нейроны.
Иначе подходят к решению проблемы специалисты компании Neuralink. Проект Neuralink был запущен в 2016 году. Компания Neuralink собирается выпустить чип, который позволит людям восстанавливать зрение. Компания Илона Маска Neuralink, которая разрабатывает нейрочипы для управления устройствами при помощи мысли, планирует выпустить подобное устройство для людей с нарушениями зрения, сообщает The Independent.
Главная задача Neuralink — расширить возможности людей, в первую очередь тех, кто страдает неврологическими заболеваниями. По словам Маска, аппарат позволит контролировать гормоны, справляться с тревожностью и даже сможет заставить мозг работать эффективнее. Главная заслуга компании — в том, что команде удалось сделать чип малоинвазивным и создать полностью беспроводной интерфейс. Neuralink планирует разработать аналогичный продукт для слепых, чтобы они могли видеть. По словам Маска, этот проект получит название Blindsight.
В июле 2019 года компания впервые продемонстрировала устройство, способное передавать сигналы мозга по Bluetooth. В 2021 году компания опубликовала видеозаписи с обезьяной по имени Пейджер, которая играла в видеоигры при помощи встроенного в мозг чипа.
В январе 2024 года Маск объявил, нейрочип впервые вживили человеку; им стал 29-летний Нолан Арбо, парализованный ниже плеч из-за несчастного случая. В феврале стало известно, что пациент полностью восстановился и смог управлять компьютерной мышью силой мысли. 21 марта Арбо показал, как он играет в компьютерные шахматы силой мысли.
Компания нейроимплант ELVIS. — Это большой наукоемкий и прорывной для России проект — нейроимплант, позволяющий частично вернуть зрение слепым людям. Фундаментально это работает по достаточно простому принципу, который в медицине уже давно проверен: если стимулировать зрительную кору слабыми токами, то слепой человек будет у себя в сознании видеть вспышки света. Так работает человеческий мозг: на стимуляцию нейронов в головном мозге он отвечает интерпретацией этих электрических импульсов в формате световых вспышек.
Основная задача в рамках проекта ELVIS — сделать удобное медицинское изделие, которое будет безопасно и которое пациент сможет использовать все время. Система состоит из трех компонентов: на голову пациент надевает обруч с камерами, захватывающими окружающую картинку; на поясе размещается микрокомпьютер, который в режиме реального времени обрабатывает данные с камер и преобразует их для передачи в мозг; в мозг и под кожу имплантируется электроника, которая принимает информацию от внешних частей системы и стимулирует мозг электрическими импульсами. Пациенты будут видеть черно-белое изображение, где весь мир выполнен в форме линий и контуров. Как будто по контуру обвели все предметы, объекты, людей и т.д.
Работа глаза и мозга
Как работает глаз и мозг? Как мы видим окружающий мир? Сетчатка глаза, по-существу, часть мозга, вынесенная за пределы черепной коробки в глаз. Сетчатка человеческого глаза имеет приблизительно 7–8 млн колбочек, отвечающих за цветное зрение, и около 120 млн палочек (черно-белое зрение). Это соответствует примерно 250 мегапикселям для зрительной панорамы.
Передачей импульсов возбуждения потоком света от этих слоев в мозг занят зрительный нерв (1200000 нервных волокон) глаза. С частотой 100–150 Гц передается в зрительную кору мозга кадр за кадром изображение. При предположении передачи нервным волокном 1 бита/такт, то общая пропускная способность зрительного нерва составит 1.2×106 *150 = 180 мегабит/с. И в мозг поступают от 2-х глаз уже 360 мегабит/с, а еще и от других систем свои потоки. Вся эта нагрузка укладывается всего лишь в 25 Вт. При этом не совсем понятно, как ≈125×106 клеток-рецепторов могут передавать информацию в ≈1.2×106 проводящих нейронов.
То есть еще до передачи в мозг происходит некая фильтрация и предобработка зрительной информации. Задержка в проведении нервного импульса до центров обработки составляет по разным оценкам примерно 150–180 мс, т.е. мы всегда видим прошлое. Устройство сетчатки образовано многими слоями, каждый слой выполняет определенную функцию. Само устройство глаза по сложности уступает разве что самому мозгу. Первый слой — светочувствительный, два следующих — нервные клетки, биполярные и ганглиозные.
рис. 1.Проводящие пути. Нейронная сеть сетчатки и электрические ответы типов клеток
Биполярные клетки соединяют рецепторные и ганглиозные клетки. Функция биполярных клеток — проведение возбуждения от фоторецепторов к ганглиозным клеткам. Функция ганглиозных клеток — проведение возбуждения из сетчатки в ЦНС. От тела биполярной клетки отходят два разветвленных отростка: один отросток образует синаптические контакты с несколькими фоторецепторными клетками, другой — с несколькими ганглиозными клетками.
Главный для зрения слой — первый. Это известные нам со школьных лет зрительные клетки палочки и колбочки. В них содержится светочувствительное вещество — белок родопсин.
Этот белок реагирует на попадание в глаз кванта света, поглощает его. Дальше происходят удивительные вещи, вкючается сложнейшая биохимическая система реакций, которая выдает ответ (рис. 1, часть Б) в форме электрического импульса даже на единственный квант света. Сигнал в светочувствительном слое усиливается в 100 тысяч раз. Он поступает на первичную обработку в нервные клетки глаза, и далее в мозг, где формируется зрительный образ.
Мозг экономен, он формирует изображение «по-пиксельно» в самых сложных ситуациях (самый затратный режим) . Обычно мозг старается подобрать похожую картинку из памяти, т.е. из ранее виденного. И только когда приходит понимание, что несоответствие очень велико, начинается соответствующее построение.
«Дело в том, что главная задача мозга — отнюдь не развитие, не поиск оптимальных решений, не обдумывание ситуаций. Все гораздо проще и прозаичнее. Мозг заинтересован в том, чтобы сохранить жизнеспособность организма, добиться этого простейшим способом и потратить минимум энергии. Поэтому часто начало любого нового дела сопровождается состоянием тревожности, появлением страхов и сомнений. Это мозг саботирует задачу, которая вынуждает его покинуть зону комфорта».
В сетчатке (в ее нервных клетках) происходит сложнейшая обработка первичной зрительной информации, ее кодирование. Представленная в таком виде (импульсами) информация передается в мозг. При нормальном состоянии сетчатки так работает глаз. При изменении состояния сетчатки (при заболевании) при разрушении и гибели клеток светочувствительного слоя, наступает слепота.
Что и как делается для утративших зрение
Известно наследственное заболевание — пигментный ретинит, связанное с дегенерацией клеток сетчатки глаза. Оно вызывает прогрессирующую потерю зрения. Эффективного лечения для пигментного ретинита сегодня не существует. Значительная часть случаев этой болезни связана с нарушениями в гене, кодирующем родопсин. Этот ген важен для работы двух типов клеток-рецепторов в составе сетчатки. Это палочки, обладающие хорошей светочувствительностью, но не способные обеспечивать цветное зрение, и колбочки, позволяющие различать цвет, но менее чувствительные к интенсивности света. У больных пигментным ретинитом клетки-палочки достаточно быстро гибнут, однако колбочки, потеряв способность воспринимать свет, живут ещё долгое время.
Сейчас наука дает шанс вернуть зрение тем, у кого сетчатка, ее первый слой утрачен, погиб. Этот шанс предоставляет оптогенетика — методика исследования работы нервных клеток, основанная на внедрении в их мембрану специальных каналов — опсинов, реагирующих на возбуждение светом. Идею управлять нейронами «точечно» впервые чётко высказал в 1979 году Френсис Крик (получивший Нобелевскую премию за открытие структуры ДНК). Спустя двадцать лет, в 1999-м, он предложил использовать для возбуждения нейронов свет.
Возникла проблема — как световое воздействие (импульсы) доставить в мозг к нервным клеткам. Очень простой и очевидный путь надо сверлить череп, вводить световодное волокно.
Кроме этого, возникает проблема и в обеспечении родопсином клеток мозга
Существуют два способа доставить ген родопсина в клетки мозга. Первый предполагает получение трансгенного организма. Так, например, ген родопсина может быть встроен в геном мыши на стадии эмбрионального развития, и тогда все клетки тела будут его содержать. Но работать этот ген станет не во всех клетках, а лишь там, где он будет активирован. Активностью гена можно управлять.
Трансген — фрагмент ДНК, переносимый при помощи генно-инженерных манипуляций либо природой в геном определённого организма с целью модификации его свойств. Трансген может быть выделен из биологического объекта или синтезирован искусственно.
Второй способ доставки гена в клетки работает гораздо быстрее. В нём используются вирусы, несущие ген родопсина. В случае введения в мозг безопасного достаточно большого количества вируса, проникающего в нейроны, наработка светочувствительных белков происходит очень эффективно. Отдельная задача — доставка света к нейронам, расположенным в глубине мозга. В большинстве случаев для этого используются оптоволоконные световоды.
Рис. 2. Схема протезирования сетчатки глаза
Единственная область медицины, где методы оптогенетики могут дойти до клиники, — офтальмология. Ведь свет в клетки сетчатки глаза попадает естественным путем. Череп не требуется сверлить.
Как предлагается восстанавливать зрение. Раньше думали даже о пересадке глаза подобно пересадке почки, сердца и пр. Но практически это не реально. Глаз очень сложный орган. Новая идея следующая. За погибшим светочувствительным первым слоем клеток сетчатки, располагается слой со здоровыми клетками. Нельзя ли эти клетки сделать светочувствительными? Для этого в них следует «вставить» белок родопсин. Сегодня это уже не фантастика, в генетике это реальность.
Используетсябезвредный для организма вирус, которому отводится роль транспорта. На негонавешиваетсяген родопсина и еще элемент, который заставляет этот ген прийти по конкретному адресу — в нервные клетки. И когда на них попадает свет, они выдают импульсы, которые идут в мозг. Глаз при этом чувствует попадающий в него свет и реагирует импульсами.
Но глаз при этом не прозревает. Не все так просто.
Обработка первичной информации происходит в нервных клетках сетчатки. Так вот, когда клетки, получив родопсин, становятся светочувствительными, то они напрямую посылают импульсы в мозг, и никакой обработки информации уже нет. Мозг на этот «шум» реагирует, но зрительный образ не возникает. Тем не менее, шанс на прозревание дает сам мозг. Этот удивительный орган обладает поразительной пластичностью, которая позволяет ему находить выход в самых сложных ситуациях.
Известны многочисленные поразительные случаи, когда при поражении каких-то зон и даже целого полушария мозга мозг смог перестроиться: здоровые его области брали на себя утраченные функции. В случае восстановления зрения, благодаря пластичности мозга он может использовать необработанную в нервных клетках глаза первичную информацию. В экспериментах это было показано на слепых мышах: им ввели ген родопсина, и они прозрели, смогли выбраться из сложного лабиринта. В зонах их мозга, ответственных за зрение, появилась электрическая активность.
Понятно, что спросить у мышки, что она стала видеть не удается. Мировой сенсацией стал эксперимент, который в 2021 году провели швейцарские и французские ученые. Они встроили слепому человеку ген родопсина и он стал видеть: смог разглядеть пешеходный переход и сосчитать количество белых полос, увидел тарелки, кружки, телефон, предметы мебели в комнате, двери в коридоре.
В глаз был введен ген родопсина не человека, а одноклеточной водоросли. У мыши этот ген родопсин из водоросли хотя и обладал светочувствительностью, но очень низкой. Чтобы человек видел, ученым пришлось сделать сложнейшую и массивную систему в виде очков, которая усиливала этот сигнал. Для массового применения это не подходит.
Дело в том, что вся оптогенетика началась с гена родопсина водоросли. Большинство нейробиологических исследований, в том числе и в офтальмологии, с ней и продолжаются. В настоящее время наметился переход к родопсину палочек и колбочек сетчатки глаза. Принципиально важно, что у него в тысячу раз более высокая чувствительность к свету, чем у родопсина водоросли. Это использование не потребует такой сложный усилитель.
Главное, что выяснилось и на экспериментальных животных, а теперь и на человеке, — такая технология в принципе работает. В клиники эта технология придет, конечно, не завтра, но лет через пять вполне возможно. Скорее всего, человек не сможет читать или работать на компьютере. Но будет различать обстановку в квартире, а главное — увидит других людей.
Раньше для оптогенетических манипуляций использовали управляемые светом натриевые
каналы, с помощью которых можно было активировать нервные клетки. А теперь биоинженеры создали управляемый светом калиевый канал, с помощью которого можно, наоборот, сбрасывать потенциал на мембранах нейронов и других клеток.
Ученые планируют, что будущие поколения протезов сетчатки должны предусматривать не только более высокое разрешение, но и блок цифрового кодирования зрительного импульса, переводящий обычное изображение на язык последовательностей импульсов, воспринимаемых ганглионарными клетками. Можно даже пофантазировать и представить себе различные «прошивки» такого блока, обеспечивающие лучшую остроту зрения или какие-нибудь особенные визуальные эффекты, недоступные истинно зрячим людям
В то же время предлагается совершенствовать не только систему генетической трансформации ганглионарных клеток фоточувствительными белками или способ кодирования сигналов для них. Исследователи из Израильского технологического института (Техниона) разрабатывают систему голографической стимуляции ганглионарных клеток, имеющую ряд преимуществ перед уже упомянутыми «мини-проекторами». Это высокая интенсивность, равномерность освещения (отсутствие необходимости в системах развертки), низкое энергопотребление, высокая разрешающая способность и возможность создавать трехмерную картину возбуждения.
Ведь для передачи «кода сетчатки» на ганглионарные клетки нужно импульсно освещать очень маленькие области пространства (размером в считанные микрометры) с возможностью быстрого переключения и фокусировки на разных слоях клеток — в отличие от грызунов, у человека ганглионарный слой не плоский, а объемный. Кроме того, ганглионарные клетки с каналородопсином — это все-таки не природные фоторецепторы, и их чувствительность намного хуже, чем у наших палочек и колбочек. Поэтому высокая яркость и точность управления голографической системы — чрезвычайно важное преимущество перед мини-проектором или просто электронным дисплеем, встроенным в очки.
Ученые создали экспериментальную установку для голографической стимуляции ганглионарных клеток сетчатки, основанную на лазере, луч которого модулируется управляемым компьютером жидкокристаллическим ферроэлектрическим чипом. Это устройство позволяет контролировать дифракцию и одновременно «адресовать» от сотен до нескольких тысяч «пикселов» в ганглионарном слое, чтобы стимулировать зрительные импульсы. (Конечно, в этом случае тоже идет речь о ганглионарных клетках, экспрессирующих каналородопсин и возбуждаемых светом.)
Заключение
Сегодня вполне можно вдохновиться научным прогрессом, способным обратить вспять потерю одного из самых главных наших органов чувств. Опираясь на это вдохновение, можно проникнуться пониманием футуристических идей трансгуманизма, сулящего человеку в будущем полный апгрейд его бренного тела с использованием более современных компонентов.
Литература
1. Формирование мембранного потенциала покоя;
2. Van Wyk M., Pielecka-Fortuna J., Löwel S., Kleinlogel S. (2015). Restoring the ON switch in blind retinas: opto-mGluR6, a next-generation, cell-tailored optogenetic tool. PLoS Biol. 13 (5), e1002143. doi: 10.1371/journal.pbio.1002143;
3. Светлая голова;
4. Оптогенетика + голография = прозрение?;
5. Cosentino C., Alberio L., Gazzarrini S., Aquila M., Romano E., Cermenati S. et al. (2015). Optogenetics. Engineering of a light-gated potassium channel. Science. 348, 707–710;
6. Яды — высокоточное оружие: компьютерное исследование природных нейротоксинов;
7. О чем не знал Гальвани: пространственная структура натриевого канала;
8. Thiel G., Moroni A., Blanc G., van Etten J.L. (2013). Potassium ion channels: could they have evolved from viruses? Plant Physiology. 162, 1215–1224.
9. Российская газета — Федеральный выпуск: №109(9351)Российская газета — Неделя — Федеральный выпуск: №132(9374)
10. Подробнее см.: https://www.nkj.ru/archive/articles/25571/ (Наука и жизнь №1,2, 2015, №10 2024 Оптогенетика: самые светлые мысли)
11…Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2008. — ISBN 5–379–00335–4, ISBN 978–5–379–00335–7
