Можете ли вы себе представить мир тьмы, окружающей вас повсеместно? Для некоторых из нас такова жуткая реальность, с которой приходится мириться, к которой приходиться привыкать. К счастью, ученые находятся на грани открытия новой технологии, позволяющей восстановить функции зрения. Группа хирургов из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе недавно успешно имплантировала первый в мире визуальный стимулятор в мозг 30-летней пациентки, пожелавшей остаться неизвестной.
История неизвестной женщины
Пациентка стала стремительно терять зрение в 2008 году. Состояние было спровоцировано редким заболеванием, именуемым синдромом Фогта-Койанаги-Харада. Недуг поражает радужную оболочку глаза. Через год наша безымянная героиня узнала, что такое полная слепота. Тем не менее потерять зрение - не означает потерять надежду. Восемь лет спустя женщина снова может видеть с помощью бионического глаза. Крошечный стимулятор, напоминающий видеокамеру, размещен в задней части головного мозга пациентки.
Как работает эта технология?
Устройство, имплантированное в мозг слепой пациентке, было разработано в рамках программы Orion I. Этот маленький чип является массивом из крошечных электродов и, по сути, продолжает разработку Argus II, выпущенную в прошлом году в Королевском госпитале Манчестера. Все эти миниатюрные электроды собраны в пучок и выведены сквозь щель в черепной коробке через антенну. Сигналы посылаются в зрительную кору головного мозга через компьютер. Отметим, что английский бионический глаз требует, чтобы у пациента в обязательном порядке сохранились некоторые рабочие клетки сетчатки.
Новая американская технология была разработана для всех, кто полностью лишен зрения. Таким образом, система посылает сигналы непосредственно в мозг, минуя зрительный нерв. И это теоретически может работать как восстановительная процедура для слепых людей. Если предположения медиков подтвердятся, нас ожидает настоящий прорыв. Посредством имплантации бионического глаза получат возможность восстановить зрение даже те пациенты, которые потеряли его в результате развития раковой опухоли.
Четырехчасовая операция
Чтобы разместить имплантат в мозге пациентки, хирургам понадобилось всего четыре часа. Сама операция прошла в августе этого года, еще какое-то время понадобилось на тестирование технологии. Медики проделали небольшое отверстие в задней части черепной коробки пациентки, а затем поместили стимулятор с крошечными электродами в районе зрительной коры. Далее оставалось лишь разместить миниатюрные антенны в приемнике, который принимает сигналы от компьютера и посылает их через отверстие непосредственно в мозг. Затем были запланированы шестинедельные испытания, направленные на тестирование бионического глаза.
Шестинедельные тесты
Медики склонны оценивать результаты тестов как положительные. В течение шести недель женщина видела точные сигналы, которые посылались ей через компьютер. Она смогла различить цветные вспышки, пятна и линии. Вот что говорит доктор Пуратян, контролировавший исследование: «В тот момент, когда пациентка впервые смогла различить цвета, она пережила незабываемый эмоциональный опыт. Ее искренняя радость тронула всех нас до глубины души. На основании первых тестов мы отмечаем, что разработанная нами система имеет огромный потенциал. В дальнейшем она поможет восстанавливать зрение слепым людям».
Ожидание одобрения технологии
Перед тем как продолжить эксперименты и усовершенствовать бионический глаз, ученые ждут одобрения от управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. Отметим, что это стандартная процедура. Предположительно разрешение на использование разработки в массовом порядке удастся получить уже в начале 2017 года.
Последующие испытания и усовершенствование
Последующие испытания системы Orion I будут дополнены очками со встроенной видеокамерой. Портативное устройство будет подключено к имплантату. Таким образом, человек получит возможность увидеть все, что сможет уловить камера. Отметим, что это первая технологическая разработка, достигнувшая таких значительных результатов. Если есть возможность обойти функции зрительного нерва, значит, у людей, ослепших в результате глаукомы, диабетической ретинопатии или различных травм, появляется реальный шанс прозреть.
Бионический глаз представляет собой особое устройство, которое помогает слепым пациентам в некоторой степени компенсировать их инвалидность. Принцип работы этого аппарата основан на имплантации искусственной сетчатки в поврежденное глазное яблоко, что позволяет активизировать работу сохранившихся нейрорецепторов.
Причинами слепоты могут стать различные заболевания и травмы. У пожилых людей нередко имеются дегенеративные изменения сетчатки, что сопровождается атрофией рецепторного аппарата. После того, как фоторецепторы (палочки и колбочки) полностью перестают реагировать на световое излучение, человек становится слепым. При этом нейроны сетчатки и оптического нерва сохраняют работоспособность. За счет этого врачи пытаются восстановить хотя бы некоторые элементы зрения.
Скотома также нередко является причиной отсутствия зрения. Это пятно возникает в результате поражения волокон зрительного нерва или повышенного внутриглазного давления. Скотомы располагаются в пределах поля зрения и значительно ослабляют его.
Как работает бионический глаз
Бионический глаз представлен полимерной матрицей, в которой имеются светодиоды. Она может фиксировать даже слабые электрические импульсы, а затем передавать их на нервные окончания. Сигналы, которые преобразуются в электрическую форму, активизируют сохранившиеся нейроны сетчатки и оптического нерва. Помимо полимерной матрицы, можно использовать альтернативные устройства (инфракрасный датчик, специальные очки или видеокамеру). Все эти аппараты могут активизировать работу центрального и периферического зрения.
Видеокамера, которая встраивается в очки, записывает картинку, а полученные данные отправляет в конвертор. Здесь сигнал преобразуется и попадает на фотосенсор, который вживлен в сетчатку глазного яблока. Отсюда электрические импульсы уже проникают в зрительные центры мозга человека через волокна оптического нерва.
Параметры восприятия изображения
Устройство бионического глаза за это время претерпело значительные изменения. Ранние модели аппарата транслировали картинку с видеокамеры сразу в глаз пациента. Для фиксации изображения применялся фотодатчик и матрица (100 пикселов). Далее информация по оптическому нерву поступала в мозг. Иногда ха счет несинхронной работы возникала несовместимость восприятия глаза и камеры.
В более современных моделях бионического глаза видеоинформация сначала поступала в портативный компьютер. Здесь оно преобразовывалось в инфракрасные импульсы (не менее нескольких тысяч). Отраженные от стекла очков, эти импульсы попадали через хрусталик глаза на фотосенсоры, расположенные в сетчатке. Воздействие инфракрасных лучей сходно с обычными лучами, что позволяет сформировать у пациента восприятие пространства.
История применения бионического глаза
У пациенты из Калифорнии был диагностирован пигментный ретинит в молодом возрасте. Через 30 лет после этого она ослепла на один глаз. второй глаз был способен в небольшой степени реагировать на свет. В 2004 году ей был установлен бионический глаз, состоящий из матрицы с 16 электродами. После этого пациентка получила возможность видеть крупные объекты, очертания людей, освещение. После этого бионический глаз стали имплантировать и другим людям старше 50 лет.
В одном исследовании бионический глаз был вживлен 33 пациентам с дистрофией сетчатки. В результате они смогли различать контуры предметов в комнате, а некоторые стали определять графические символы. Однако радужным прогнозам десятилетней давности относительно перспектив бионического глаза не суждено было сбыться.
Современный этап развития бионического глаза
Биомедицинские технологии совершенствуются каждый год. В настоящее время стандартная матрица для бионического зрения содержит 500 фотоэлементов (в сравнении с 16 фотоэлементами в первых моделях). При этом информация передается в головной мозг через миллион нервных окончаний.
Известная системы бионического глаза Argus II (американского производителя Second Sight) состоит из импланта сетчатки и маленькой видеокамеры, которая встроена в очки. В камере есть фиксирующий элемент, передающий информацию на процессор. Далее по беспроводной сети информация поступает к импланту. Последний посредством электродов стимулирует активные клетки сетчатки и передает информацию на волокна оптического нерва.
Британские хирурги провели операцию, о которой человечество еще несколько лет назад могло лишь мечтать или читать в фантастических романах. Офтальмологи вернули зрение двум пациентам. Они вживили в сетчатку так называемый бионический глаз.
Это небольшое устройство напоминает видеокамеру. Объектив расположен на специальных очках, а изображение передается через зрительный нерв прямо в мозг. С точки зрения видящего человека качество картинки пока оставляет желать лучшего. Но для тех, кто потерял зрение - это настоящее спасение.
Корреспондент НТВ Евгений Ксензенко разбирался в тонкостях электронного глаза
:
Солнечные очки Линды Мурфут это не защита от света, а возможность увидеть его. Со стороны кажется, что обычная пара идет на прогулку, а на самом деле Линда - одна из первых людей, которых фантасты полвека назад называли киборгами.
Линда Мурфут: "Я могу вместе с внуком забросить мяч в корзину. Я могу увидеть, как танцует моя внучка на сцене. Я могу различать предметы".
Линда видит с помощью бионического глаза. В ее очки встроена маленькая видеокамера. Она фиксирует изображение, а потом преобразует его в электронные сигналы, которые в свою очередь беспроводным путем попадают в чип, вживленный в сетчатку глаза.
Он расшифровывает импульсы и с помощью решетки из электродов передает информацию в мозг через оптический нерв. Это естественный процесс. За исключением результата - качества картинки. Оно зависит от числа электродов.
Можно попытаться представить, что видит Линда, когда надевает очки с видеокамерой. 16 электродов позволяют совсем немного. А вот взгляд с помощью 60 электродов - это что-то. Так сейчас видят в мире всего 15 человек. В будущем - четкое изображение, но в черно-белом варианте. Хотя после таких результатов до цветного мира явно один шаг.
Первый же шаг сделали в американской лаборатории профессора Марка Хамейуна. Он не сомневается, что в будущем вместо 60 светочувствительных электродов можно будет использовать тысячи.
Марк Хамейун, профессор офтальмологии: "Мы называем это искусственным зрением. Оно отличается от того, что мы с вами видим. Мозг должен привыкнуть к нему. Это как наблюдать за развитием ребенка. Сначала он ползает и только потом ходит и бегает".
Даже скептически настроенные ученые подтверждают, что бионический глаз способен заменить настоящий.
Джон Маршалл, профессор офтальмологии: "Я абсолютно поддерживаю эту технологию. Но должен добавить, что она не будет доступна немедленно. Еще много работы нужно сделать, чтобы отладить систему с пользой для зрения".
Российские специалисты считают, что эта технология не может быть массовой. Ведь такая операция стоит дорого - от 30 тысяч долларов.
Христо Тахчиди, генеральный директор межотраслевого научно-технического комплекса "Микрохирургия глаза" им. С. Н. Фeдорова: "Можно сделать какую-то супервещь, которую может один специалист в мире делать. Это никому неинтересно с точки зрения применения. То есть ее нужно упростить, довести до такого уровня, когда это может выполнять человек средних способностей - хирург, врач, биолог".
Британские и американские ученые обещают, что через три года Линде не нужно будет носить очки. В лабораториях разрабатывают видеокамеру размером меньше горошины. С ее помощью можно будет различать даже лица людей. Если опыт пройдет успешно, то солнцезащитные очки можно будет надевать только по назначению.
Немного истории
Бионический глаз по своей сути похож на слуховой аппарат - устройство восстанавливает утраченную функцию организма, в данном случае - зрение. Вживленные электроды стимулируют сетчатку глаза, которая передает изображение на глазной нерв. Сама «картинка» формируется видеокамерами, смонтированными на очках. Изображения, захваченные камерой, передаются в чип, который генерирует импульсы, воспринимаемые мозгом как образы. Один из приборов был разработан в 2005 году профессором Гислин Данейли из университета Джонсона Хопкинса, Балтимор.
*
Профессор офтальмологии Марк Хамейун из Института Глаза в Университете Южной Калифорнии (США) предполагает, что к 2009 году глазной протез можно будет увидеть на потребительском рынке по цене в районе пятнадцати тысяч фунтов стерлингов.
Первая версия разработанного его группой протеза сетчатки глаза уже проходила так называемые "полевые" испытания в 2007 году, в ходе эксперимента Бионическая сетчатка вживлена шести пациентам с потерей зрения в результате заболевания retinitis pigmentosa. Retinitis pigmentosa - неизлечимая болезнь, при которой человек теряет зрение (наблюдается примерно в одном случае на каждые три с половиной тысячи человек). Пациенты, которым был вживлен бионический глаз показали способность не только различать свет и движение, но и определять предметы размером с кружку для чая или даже ножа. К некоторым из них вернулась способность читать крупные буквы.
*
В 2008 году сделано также изобретение исследователей Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), которые заявляют, что их разработка уже через несколько лет "сможет вернуть частично потерянное зрение людям, страдающим от дегенеративной глазной болезни."
Ученым удалось создать биоэлектронный имплантант размером не больше карандашного ластика, который они поместят за сетчатку на заднюю часть глазного яблока - изображение будет передаваться в мозг "через коннекторы не толще людского волоса." Разработка уже проходит проверку Управления по контролю за продуктами и лекарствами США, и исследователи планируют уже этим летом испытать технологию на животных.
Однако, это изобретение не сможет помочь слепым с рождения или людям, страдающим глаукомой - процедура разрешена только тем, у кого остались неповрежденные клетки зрительного нерва.
БГ высокого разрешения: теория
Создавая внутриглазные электронные имплантаты, большинство авторов совершает ошибку: отказывается от "остатка" зрения, которое ещё есть, и пробует заменить его камерой. Но интересная картина нарисуется, если создать биоэлектронный гибрид.
Дэниел Паланкер (Daniel Palanker) из Стэнфордского университета (Stanford University) и его научная группа "Биомедицинской физики и офтальмологических технологий" (Group of BioMedical Physics and Ophthalmic Technologies) разработали оригинальный протез сетчатки высокого разрешения или "Бионический глаз" (Bionic Eye), обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты с помощью электронных имплантатов.
Возрастная деградация сетчатки, при которой умирает значительное количество светочувствительных клеток, и такое заболевание, как пигментоз - ответственны за слепоту (или близкое к "нулю" зрение) миллионов людей во всём мире.
Множество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки. Поскольку при указанных дефектах сами нервные клетки (в основном) остаются в порядке, можно направлять в них слабые электрические импульсы с некой схемы - решётки из электродов, размещённой прямо в сетчатке.
Соответственно, импульсы эти должны отражать картинку, которую снимает миниатюрная видеокамера, закреплённая на голове.
Блестящий замысел. Если бы не ряд "но". Во-первых, размещение большого числа электродов на маленькой площади - это препятствие биологического плана. Схема просто перегревает глаз.
Кроме того, даже имплантировав решётку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком близкого соприкосновения электродов и её глубинных клеток, лежащих непосредственно под умершими фоторецепторами.
И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток - а должен, в идеале, - только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.
Разрез под микроскопом: клетки сетчатки крысы мигрируют через крошечное отверстие имплантата (фото с сайта stanford.edu).
Чтобы это препятствие обойти, нужно "привязать" по одному электроду на одну, от силы — две клетки. Но для плотности пикселей, геометрически соответствующей остроте зрения 20/400 (это почти невидящий человек, порог "юридической слепоты", как пишут авторы работы, а в наших единицах — это зрение 0,05) клетки должны располагаться не дальше 30 микрон от электродов.
А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превышать 7 микронов. При такой остроте зрения, кстати, уже можно пользоваться компьютером, передвигаться по городу, распознавать лица и вообще - вести самостоятельную жизнь.
Нажимать же на имплантат при внедрении (чтобы плотнее прижать электроды к слою клеток) нельзя - велик риск травмы сетчатки.
А ведь расстояние между каждым из электродов и его "подшефной" клеткой - далеко не всё. Для такой остроты зрения (20/80) нужно иметь плотность пикселей в 2,5 тысячи на квадратный миллиметр.
Потому никому до сих пор не удавалось создать устройство с числом электродов (читай - транслируемых пикселей) больше нескольких штук, десятков, ну, может быть — сотни. А нужно их иметь - многие тысячи.
Тут сделаем ещё один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет примерно 100 миллионов фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Однако в составе зрительного нерва в мозг идёт всего 1 миллион раздельных каналов. Информация пропадает?
Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит предварительная обработка, некое суммирование информации. Сама сетчатка - это ведь не только слой фоторецепторов, но слой нервной сети.
Теперь, если возвращаться к имплантатам с электродами, необходимо сказать - есть несколько подходов к размещению такого имплантата в глазу. Он может занимать различные слои по глубине.
Можно обойтись меньшим числом электродов (только тогда необходимо имитировать суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клетки, лежащие ближе к фоторецепторам - можно хорошо воспроизводить систему зрения, только плотность пикселей в имплантате должна быть высокой.
Чтобы разрешить это противоречие, авторы нового проекта провели ряд опытов на крысах. И обнаружили новый биологический эффект. Учёные внедряли в сетчатки животных полимерные пластинки с маленькими отверстиями - диаметром 15-40 микрон.
И вот через считанные часы клетки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия, в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично клетки вели себя и по отношению к пластине, которую покрывали стройные ряды длинных выступов-башенок. Клетки быстро заполняли промежутки между этими выступами.
В новом проекте клетки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности и в отверстиях создаётся система стимулирующих электродов (иллюстрация с сайта stanford.edu).
"Если гора не идёт к Магомету, то Магомет идёт к горе, — сказал Паланкер. — Мы не можем поместить электроды близко к клеткам. Но мы фактически приглашаем клетки прибыть в область электродов, и они делают это с удовольствием и очень быстро".
Таким образом, в проекте нового имплантата удалось добиться той самой плотности 2,5 тысячи электродов на квадратный миллиметр с соблюдением дистанции между каждым электродом и его личной клеткой - до 7 микрон. Электроды разместили в этих полостях и, соответственно - на выступах.
Будет ли рабочий проект иметь отверстия в пластине или наоборот - "башенки" - пока неясно. В случае отверстий можно добиться едва ли не поштучного соединения электродов и клеток, но зато в случае выступов - у клеток лучше снабжение питательными веществами. Выбор будет сделан позже.
Но это - далеко не все отличия проекта от конкурирующих работ. Если помните, другие авторы предлагали транслировать на электроды сигнал прямо с камеры на лбу. А в этом есть сильный подвох.
Аналогично работает схема с выступами (иллюстрация с сайта stanford.edu)
Дело в мельчайших непроизвольных движениях глаз, сканирующих пространство даже тогда, когда нам кажется, что мы неподвижно смотрим в одну точку.
Если напрямую связывать камеру на лбу с имплантатом в сетчатке, это свойство зрения пропадает, что очень негативно сказывается на восприятии. А ещё - при такой схеме - зрение полностью зависит от числа электродов в имплантате. А что можно увидеть, скажем, в ста пикселях?
Паланкер предложил иную схему. Камера на лбу тут также имеется, но она направляет сигнал в носимый микрокомпьютер (размером с бумажник), который переводит видимое изображение в набор коротких импульсов инфракрасного светодиодно-жидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч.
Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного перед глазами, проходит через хрусталик и попадает на фоточувствительные диоды имплантата в сетчатке глаза. Те усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, имплантированной в радужку.
Эти инфракрасные лучи человек не видит. А вот результат воздействия электрических импульсов на клетки сетчатки - воспринимает как изображение.
При этом сам имплантат имеет размер в половину рисового зерна (3 миллиметра) и покрывает 10 градусов поля зрения - его центр.
Бионический глаз Паланкера (иллюстрация с сайта stanford.edu).
И мелкие быстрые движения глаз сохраняют свою важность - ведь человек сам смотрит как на пейзаж (напрямую), так и на то электронное изображение (пусть инфракрасное).
Положение этого изображения на сетчатке (и внедрённой решётке электродов, соответственно) меняется вместе с движением глазного яблока. Таким образом, электронный прибор максимально использует оставшиеся естественные способности глаза по обработке зрительной информации.