Кортикальный зрительный протез

Свет в конце нейрона

публикация в журнале Эксперт 30.08.2008

читайте также диссертацию Марианны Ивановой по теме зрительного протеза

Ученые создают электронное устройство, которое когда-нибудь сможет вернуть зрение миллионам слепых людей. Предполагается, что зрительные сигналы будут передаваться непосредственно в кору головного мозга. Подобные разработки ведутся и в нашей стране

«Если бы мне Господь бог поручил сделать глаза, я бы сделал их гораздо лучше, чем он», — уверял классик офтальмологии Герман Гельмгольц. Дело было больше ста лет назад. Никто тогда и не думал о всевозможной электронике и компьютерных алгоритмах. В те времена никто вообще не понимал, как мозг обрабатывает зрительную информацию. Это сейчас у ученых, которые пытаются конкурировать с природой (или гос­подом богом — кому что нравится), появилось больше шансов.

Тонкий квадратик размером 5 на 5 миллиметров. Если посмотреть на него через микроскоп или хотя бы через сильную лупу, то можно увидеть, что эта штука напоминает щетку для волос: вся поверхность покрыта тонкими штырьками, заостренными на конце. Так выглядит устройство, которое вживляется в головной мозг. Предполагается, что с его помощью абсолютно слепой человек сможет различать лица, ориентироваться в пространстве и даже читать.

— Я очень надеюсь, что зрительный протез войдет в клиническую практику уже лет через десять, — говорит Марианна Иванова, сотрудник Научного центра неврологии РАМН.

Три с половиной года назад она еще училась на факультете фундаментальной медицины МГУ и случайно увидела на стенде интригующее объявление: «Приходите писать диплом про искусственное зрение». Так она стала одним из участников проекта по разработке «кортикального зрительного протеза».

Разговаривая с нами, Марианна вертит в руках наладонник-коммуникатор:

— Меня до сих пор это поражает. Вот смотрите, какой маленький приборчик. А в нем и телефон, и текстовый редактор, и электронная почта, и музыку можно слушать. Представить такое лет десять назад было невозможно. То же самое и со зрительным протезом.

Чем умнее существо, тем «глупее» глаз

Зрительный протез пытаются создать во многих научных центрах мира. У нас в стране этим занимаются в лаборатории нейрокибернетики отдела исследований мозга Научного центра неврологии РАМН.

Место с таким длинным (нам удалось его запомнить только с третьего раза) названием находится почти в самом центре Москвы. Красивое, чуть мрачноватое здание красного кирпича…

— Его построили в конце девятнадцатого века, — поясняет Борис Базиян, руководитель лаборатории. — Изначально тут был немецкий госпиталь, а в 1928 году здесь разместили специальный научный институт, который должен был изучать мозг Ленина. Он до сих пор здесь. Тут вообще хранится мозг многих великих людей — Павлова, Ландау, Сахарова… Это хранилище сначала контролировал НКВД, потом КГБ, а сейчас, наверное, ФСБ.

Спрашиваем у Бориса Хореновича, доводилось ли ему самому работать с мозгом вождя мирового пролетариата.

— Нет, я его даже не видел, мне только муляж показывали. Да мне это особенно и не нужно. Для наших исследований пока достаточно мозгов животных. Ну вот, например…

Базиян снимает с полки пластиковую банку из-под майонеза и достает из нее пинцетом несколько серовато-желтых мокрых комков.

— Посмотрите, это мозг кошки, а это, — указывает он на комок побольше, — мозг обезьяны, у него кора более развита… Вообще мозг — это главный орган зрения. Чем выше уровень развития живого существа, тем меньше роль глаза и больше роль мозга в обработке зрительных сигналов. У лягушки сетчатка в чем-то сложнее, чем у человека, а возможности мозга меньше. Зато нашему глазу достаточно увидеть несколько точек, чтобы мозг мог распознать фигуру — квадрат, треугольник или трапецию.

Вспоминаем слова Гельмгольца о том, что он мог бы создать глаз получше, чем бог. Базиян в ответ качает головой:

— Гельмгольц жил в девятнадцатом веке. Если бы он знал о мозге столько, сколько мы знаем сейчас, он бы этого не сказал. Бог создал глаз таким, чтобы мозгу было чем заняться.

Когда у сотрудников лаборатории спрашиваешь: «Вы делаете искусственный глаз?» — они тут же поправляют: «Мы делаем кортикальный зрительный протез». Ключевое слово здесь «кортикальный», то есть связанный с корой головного мозга. Ведь зрительные сигналы поступают именно туда — в расположенную со стороны затылка первичную зрительную кору (она же — поле Бродмана 17, она же — зона V1). Сетчатка глаза только фиксирует свет и цвет, после чего передает сигнал в мозг, где и рождаются зрительные образы.

То есть по большому счету для зрения глаза не обязательны. Этот тезис кажется парадоксальным, но именно на нем основывается разработка зрительного протеза.

Если правильно уколоть мозг, можно увидеть елку

Первая мировая война. Немецкие врачи оперируют бойца, раненного в голову. Операция идет без наркоза, ведь мозг практически не чувст­вует боли. Чтобы понять, где здоровые ткани, а где пораженные, врачи стимулируют разные участки мозга слабыми разрядами тока. Когда электрод касается левой части затылочной доли, раненый неожиданно заявляет:

— Я вижу мерцающие вспышки где-то справа. Очень четко вижу, обоими глазами…

Этот эффект позднее получил название фосфенного зрения (от греческих phos — свет и phaino — показываю). Речь идет о зрительных ощущениях, возникающих у человека без воздействия света на глаз.

— Вы наверняка в детстве падали или обо что-то ударялись. Помните искры в глазах? Это самый простой пример фосфена, — поясняет Базиян.

Ученые смекнули: если в определенной последовательности стимулировать точки коры, то можно смоделировать внешний мир.

— Теоретически мы можем таким образом кольнуть мозг, что человек увидит, например, елку, — говорит Марианна.

Изменяя амплитуду, частоту и длительность электрического сигнала, можно отрегулировать качество изображения, возникающего в голове у человека. Но самое главное — подавая одновременно много сигналов, можно создать в голове слепого те образы, которые видит зрячий.

Мир с разрешением 32 на 32

Уже полвека назад о зрительной коре было известно достаточно много. В 70-е годы группа американских ученых под руководством Уильяма Добелля начала первые эксперименты по созданию зрительных протезов. Чип с электродами был вживлен в мозг пожилому американцу по имени Джерри (фамилия не разглашалась), который за 37 лет до этого полностью потерял зрение. Этот рискованный эксперимент вроде бы оказался успешным: Добелль и его коллеги уверяли, что их пациент смог распознавать предметы и даже читать очень крупные буквы.

Но уровень компьютерной техники в те годы не позволял двигаться дальше лабораторных экспериментов. Компьютер нужен для того, чтобы с помощью специальных алгоритмов перерабатывать сигналы, идущие от видеокамеры, в сигналы, «понятные» мозгу. В первых экспериментах Добелля для этого задействовали ЭВМ весом чуть ли не в тонну и размером с большой шкаф. Естественно, такая система вряд ли могла помочь слепым. Поэтому интерес к этой теме временно угас.

Сейчас компьютерная проблема решена. В любом магазине можно купить ноутбук весом не больше килограмма, а через несколько лет систему можно будет сделать совсем миниатюрной, и человек с «искусственным зрением» внешне будет не слишком выделяться в толпе обычных людей.

В оправе очков устанавливается малюсенькая видеокамера. От нее идет провод к ноутбуку, который лежит в кармане или сумке. Компьютер перерабатывает видеосигнал в определенную последовательность импульсов для возбуждения микроэлектродов, вживленных в зрительную кору.

Правда, слегка смущают провода, которые тянутся от ноутбука к голове и уходят внутрь черепа, — согласитесь, зрелище жутковатое. Но Марианна Иванова успокаивает:

— В дальнейшем эта система обязательно будет работать по беспроводной связи. Ведь уже сейчас есть Wi-Fi, Bluetooth и прочие способы передачи данных.

Здесь на ум приходят всякие фантазии в жанре антиутопии. Ведь сигнал на чип может передать и кто-то со стороны. И тогда, как в фильме «Матрица», человек будет видеть совершенно другую реальность… Но до этого еще очень далеко, так что вернемся к текущим проблемам зрительного протезирования.

Вживленный в кору чип — это небольшая пластина, из которой торчат тоненькие электроды. От их количества зависит четкость изображения. В ранних экспериментах их было всего 16. Представьте себе качество фотографии, снятой камерой с разрешением 4 х 4 пикселя (это в полмиллиона раз меньше, чем у банальной «мыльницы»). Тут можно разве что отличить свет от тени.

Сейчас в ходу матрицы 10 х 10 и 16 х 16. В одной американской лаборатории разрабатывают плату 32 х 32 микроэлектрода. Это уже серьезно.

— Эксперименты показывают, что разрешения в 1024 точки хватает для относительно полноценной жизни. Человек сможет читать, узнавать лица, ориентироваться в пространстве, — говорит Борис Базиян.

Конечно, нужно понимать, что «картинка», полученная мозгом, будет отличаться от привычных нам образов. Например, вместо буквы «А» человек может увидеть какую-то непонятную фигуру из разрозненных точек и загогулин. Придется учиться. Скажем, пациенту показывают картинку и объясняют, что это именно буква «А», а не детский рисунок домика. Так постепенно он начнет читать и узнавать предметы.

Конечно, возможности протеза будут куда скромнее, чем у естественного глаза. Например, пока не совсем понятно, как с помощью электроники передавать цвет, есть проблемы с восприятием движения.

Но если напрячь фантазию, можно придумать, как сделать, чтобы протез превзошел обычный глаз. Например, взять вместо одной камеры несколько — так, чтобы человек мог их переключать и при желании видеть то, что находится у него за спиной. Делимся этой идеей с учеными.

— А почему бы и нет?! — поддерживает нас Борис Базиян. — У обычного человека угол обзора меньше 180 градусов. А тут можно сделать все 360.

Поднятая лапа как доказательство удачи

Наука — вещь серьезная. Здесь не принято принимать на веру даже самые убедительные рассуждения. Поэтому, прежде чем зрительные протезы войдут в клиническую практику, их эффективность нужно доказать. Тем более что речь идет о мозге, а не о коленке или челюсти.

Поэтому большинство ученых пока проводит исследования на животных. Подобные опыты делаются и в Научном центре неврологии. Правда, их авторы рассказывают об этом очень неохотно и вежливо интересуются: «А может, не стоит об этом писать?»

Причина такой скрытности — угроза со стороны «зеленых» радикалов. На Западе они уже не раз нападали на научные центры, желая выпустить на волю экспериментальных животных. Теперь эпидемия «освобождений» докатилась и до нас.

— Иду я как-то на биофак МГУ, смотрю, в кустах лабораторные крысы бегают — это зеленые их выпустили из университетского вивария. Неужели они не понимают, что на воле все эти животные очень скоро погибнут? — недоумевает Марианна.

Похоже, защитники зверюшек мешают российской науке не меньше, чем чиновничья бюрократия или жадность государства.

Мы пообщались с несколькими предста­вителями «экологических» организаций, ратующих за отмену экспериментов над животными. Часть из них тут же выдали заученный текст о жестокости, гуманизме и существовании компьютерных моделей. На наш вопрос, что же делать людям, страдающим, допустим, слепотой, защитники прав животных сообщали, что нужно вести здоровый образ жизни, не есть мясо и не пить таблетки — тогда все будет хорошо. Более вменяемые представители зеленых все-таки признавали, что иногда бывают ситуации, когда без экспериментов на животных не обойтись. А в Гринписе нам сказали, что у их организации вообще нет официальной позиции по вопросу, этично или не этично резать крыс, — это каждый участник движения решает в частном порядке.

На всякий случай хотим предупредить: если хоть один зеленый рискнет помешать исследованиям способов лечения слепоты, тогда… Нет, отдел науки «РР» не собирается выкалывать эко-радикалам глаза. Достаточно будет, если «борцы с жестокостью» хоть пару часов поживут так, как незрячие люди живут десятилетиями. Пусть попробуют надеть на глаза черную повязку и прогуляться по улицам, поездить в автобусе, перейти дорогу, купить хлеб…

Думается, ради того, чтобы сотни тысяч слепых людей смогли увидеть «свет в конце тоннеля» (в буквальном и переносном смысле), можно пожертвовать десятками, а то и сотнями лабораторных животных.

Кстати, эксперимент сложно назвать жестоким. Главное действующее лицо в нем — кошка. Этот вид выбрали потому, что его зрительная система сходна по строению с человеческой (больше, чем, например, у собаки). Животных сначала дрессируют — учат на свет фонаря поднимать лапу. За правильные действия они получают награду в виде кусочка мяса или сухого корма.

— Кошки — существа смышленые, обучаются за одну-две недели. С ними вообще приятно работать, особенно, если это делать ласково, — говорит Борис Базиян, поглаживая вполне довольную жизнью кошку по кличке Маська. Она, правда, в экспериментах не участвовала — просто живет при лаборатории для поднятия настроения сотрудников.

После того как животное научится поднимать лапу в ответ на световой сигнал, ему вживляют матрицу с электродами. Специально для особо трепетных зеленых сообщаем: операция под наркозом безболезненная, а мозг вообще боли не чувствует.

Дальше кошек… нет, не ослепляют, им просто завязывают глаза. На матрицу подается электрический сигнал. Опять-таки уточняем: ток слабенький и совсем безболезненный. По идее, ощущения должны быть такие же, как от яркого света. Если зрительный протез работает, у кошки срабатывает условный рефлекс — и она поднимает лапу.

Марианна Иванова вспоминает:

— Это очень впечатляющее зрелище. Когда я в первый раз увидела, как кошка в ответ на электрический сигнал поднимает лапу, то решила посвятить себя этой теме всерьез.

Когда слепые получат водительские права?

— Только не пишите, что уже завтра можно будет имплантировать зрительный протез в каждой районной поликлинике, — пред­упреждает нас Базиян.

Мы и не пишем. Конечно, многие разработчики зрительных протезов настроены оптимистично, в США кто-то даже предлагает внести в законодательство поправку, дающую право слепым с такими протезами получать водительские удостоверения.

Но, по оценке заведующего лабораторией, зрительные протезы войдут в медицинскую практику не раньше, чем лет через семь-десять. Полноценные эксперименты с участием людей-добровольцев могут начаться через пару лет.

— О! Я хочу быть добровольцем! Давайте вживим матрицу мне, — возбуждается, услышав это, корреспондент «РР».

Так уж получилось, что один из авторов этой статьи имеет к офтальмологии самое непосредственное отношение — страдает атрофией зрительного нерва, из-за чего один глаз его практически ничего не видит. Нельзя сказать, что это сильно усложняет жизнь, — одного глаза вполне достаточно, чтобы без очков по нескольку часов в день сидеть перед монитором. Но почему бы не использовать свой недуг на благо науки?

Ученые в ответ усмехаются:

— Такие эксперименты можно проводить только над безнадежными больными. Кстати, мы уже начали переговоры с Институтом нейрохирургии имени Бурденко по поводу того, чтобы в случае нашей удачи они взялись бы за имплантацию людям.

Ну как же тут без нанотехнологий…

Мы долго ждали, когда же прозвучит это слово. И вот наконец…

— Нам здесь не обойтись без нанотехнологий, — произносит Борис Базиян.

Первым желанием было поерничать на тему вездесущей приставки «нано». Но после объяснений становится ясно: действительно, без нанотехнологий здесь никуда.

Представьте, что нужно изготовить мат­рицу с разрешением 100 на 100 точек, то есть на четверти квадратного сантиметра размес­тить 10 тысяч электродов. Эти тонюсенькие иголочки должны быть надежно изолированы друг от друга (короткое замыкание внутри черепной коробки — звучит жутковато).

Теоретическая схема зрительного протеза вполне понятна, но предстоит еще решить массу вопросов. Не начнется ли воспаление в мозге, после того как туда внедрят инородное тело? Не подвергнется ли металл коррозии, ведь кора мозга не самое сухое место в мире? Не погнутся ли тонюсенькие электроды, когда их будут устанавливать? Не вызовет ли электрическая стимуляция мозга какого-нибудь расстройства типа эпилепсии?..

Так что у ученых еще полно работы.

— Например, сейчас стало понятно, что электроды должны не просто касаться поверхности коры, а входить в нее на 1–2 миллиметра. Тогда можно использовать ток на порядки слабее, — рассказывает Борис Базиян.

Собственно, одна из основных задач российской лаборатории заключается в проверке разных типов матриц — как они вживляются и что с ними происходит дальше.

— При выборе материала для электродов производители матриц уже перепробовали чуть ли не все благородные металлы: золото, платину, оксид иридия, — перечисляет Марианна.

Вроде бы ничего страшного после вживления электроники в мозг не происходит. Нам показали крыс, которым за несколько месяцев до этого имплантировали в голову чип. Внешне грызуны выглядели вполне жизнерадостными и упитанными.

— По идее, они с этим устройством в голове могут жить сколько угодно, — успокаивают ученые.

Но эксперименты все равно продолжаются. Все-таки для столь рискованных операций уверенность должна быть стопроцентной. Тем более что помимо технических и физиологических тонкостей есть еще и психологические.

срезы коры головного мозга крысы. Проверка биосовместимости имплантируемых электродов.

Увидеть человека, которого целуешь

Проделать в черепе дырку и внедрить прямо в мозг электронное устройство — такое описание медицинской процедуры звучит пугающе. Поначалу идею кортикального зрительного протеза многие врачи-офтальмологи принимали в штыки. Сейчас большинство из них смотрит на такие проекты куда доброжелательнее. Но опять-таки далеко не все.

Чтобы получить комментарии, мы встретились с Игорем Медведевым — директором и основателем одной из самых крупных в России частных офтальмологических клиник (она так и называется — Клиника Игоря Медведева). Не успев дослушать наш рассказ о возможностях зрительного протеза, Медведев чуть не закричал:

— Все это ерунда! Пусть ваши нейрофизиологи своим мозгом занимаются! А глаз пускай не трогают!

Но конечно, самое главное — что обо всем этом думают сами слепые. Те, кто постарше, относятся к техническим новинкам с изрядной долей осторожности.

— Я инвалид по зрению с самого рождения. Уже привыкла так жить. Мой муж, с которым мы вместе 28 лет, тоже незрячий. Всю жизнь мы работаем. Живем в согласии. Так что мы и без всяких устройств способны дожить свой век спокойно. Да и не очень я разбираюсь в этой современной технике, — признается 63-летняя Людмила Черемнова из Новосибирска.

Люди помоложе, похоже, готовы рискнуть.

— Такой проект не может не заинтересовать любого здравомыслящего человека, а тем более незрячего. Пока что все, что производилось в нашей стране для нужд инвалидов по зрению, вызывало либо горькую усмешку, либо гомерический смех. Чего стоит один только тифло­флешплеер размером с хороший ноутбук и с функциональностью граммофона. Несмот­ря ни на что, каждый незрячий верит в свое «светлое будущее» и надеется, что когда-нибудь увидит, кого ночью целует. И я, наплевав на весь свой скепсис, мечтаю оказаться в числе тех первых счастливцев, для которых отсутствие зрения будет просто одним из этапов их богатой событиями жизни, — говорит 24-летний Евгений Акулов из Набережных Челнов.

Естественный вопрос, который возникает у потенциальных пациентов, — а сколько эта штука будет стоить? На Западе фигурируют предположительные суммы от нескольких десятков до 100 тысяч долларов. Борис Базиян не исключает, что в России за счет более низкой стоимости труда такие операции будут значительно дешевле.

Впрочем, большинству российских незрячих с их мизерной пенсией и без возможности нормально заработать и такая сумма все равно покажется неподъемной. И возвращение им зрения будет зависеть не столько от успехов науки, сколько от позиции государства. РР.