Вижу цель: как бионические импланты «чинят» глаза

Если мозг — это компьютер, почему нельзя вставить в него флешку, как в сериале «Черное зеркало»? Или подсоединить к голове видеокамеру и видеть, что происходит за спиной? Вы удивитесь, но последняя технология из настоящего, а не будущего: ученые уже выяснили, как подключаться к мозгу, чтобы незрячие люди могли воспринимать визуальную информацию.

Нейроинтерфейсы и медицина

Нейроинтерфейс — система, которая обеспечивает связь между нейронами мозга и внешней электроникой. Сегодня существуют успешные примеры применения этих устройств в самых разных сферах. Например, недавно разработанный учеными нейроинтерфейс помогает общаться с пациентами с синдромом «запертого человека» — в таком состоянии люди могут двигать только глазами (и то не всегда), находясь при этом в полном сознании. А обучающими нейроинтерфейсами уже мало кого удивишь.

Большое количество разработок в области нейроинтерфейсов направлено на возвращение людям способности воспринимать визуальную информацию. И это неудивительно: в мире около 1,3 миллиарда человек имеют нарушения зрения, более 36 миллионов — тотально незрячие, а 1,4 миллиона из них — это необратимо слепые дети. В России около 100 тысяч незрячих, при этом примерно 20 % инвалидов по зрению — молодежь. Конечно, традиционная офтальмология с лекарствами и скальпелем может улучшить зрение или предотвратить слепоту, но восстановить уже утраченную способность видеть ей не под силу. Людям приходилось мириться с этим фактом, пока не появились они — бионические импланты.

Точки зрения

Бионический глаз (Bionic Eye) позволяет человеку видеть посредством передачи изображения со специальной видеокамеры на установленный в сетчатку электронный протез. Таким образом пациент получает в мозг сигналы — зрительную информацию. Но увиденная при помощи устройства картинка заметно отличается от привычной нам — это набор вспышек, ярких точек, собирающихся в мозаичное изображение из фосфенов.

Людей с бионическим зрением сложно назвать зрячими в привычном для нас смысле: импланты позволяют лишь различать контуры предметов и силуэты людей, а также объекты, которые помнятся из жизни до потери способности видеть. Однако некоторым пациентам даже удается определять буквы размером примерно 15 на 15 см. Но, по сути, цель устройства на нынешнем уровне развития нейротехнологий — это дать возможность незрячему человеку самостоятельно передвигаться и выполнять повседневные действия.

На сегодняшний день самая известная модель бионического глаза — система Argus II. Она состоит из очков с миниатюрной видеокамерой, блока обработки видеосигнала и электростимулятора — импланта с 60 электродами. Камера захватывает изображение, которое через кабель передается в блок обработки видеосигнала. Преобразованный сигнал возвращается в очки и по беспроводной связи отправляется на массив микроэлектродов, имплантированный на сетчатку. Он генерирует небольшие электрические импульсы, стимулируя сохранившиеся нервные клетки сетчатки. После операции пациент какое-то время учится интерпретировать зрительные образы, которые складываются из 60 точек, а также привыкает к новой жизни с устройством: сам имплант обеспечивает питанием внешняя электроника через катушку-передатчик, а вот очки нужно ставить на ночь на подзарядку.

Взгляд в будущее

Импланты подарили надежду незрячим, но последствия от их установки еще не изучены до конца. Медицинские разработки требуют долгосрочных исследований: например, еще в 2000 году на животных прошли пилотные испытания системы Alpha IMS — модели бионического глаза, разработанной в Германии. Лишь в 2005 году эти импланты попробовали установить людям. Это был успех: большинство испытуемых смогли различать день и ночь, распознавать предметы. Вот только после завершения испытаний все устройства, по неофициальной информации, были удалены — даже у тех, кто смог неплохо видеть: того требовали условия соглашения на исследования.

Согласно анализу американской компании Grand View Research, к 2022 году объем мирового рынка нейроинтерфейсов достигнет 1,72 миллиарда долларов. Возможно, лет через 10 импланты, восстанавливающие функции органов чувств, будут чем-то обыденным вроде смартфона. Но станут ли нейротехнологии доступными для всех? Что ж, поживем — увидим.

Комментарий эксперта
Даниил Ступин, младший научный сотрудник лаборатории нанобиотехнологий Академического университета

В чем недостатки зрительных имплантов?
Из технических — низкое разрешение (до 1 500–5 000 пикселей) и малый угол обзора (10–12°). Причина первого в том, что внутренняя электроника импланта слабая с точки зрения производительности, поэтому прием большого объема данных и их обработка крайне затруднительны. Один из способов решения проблемы — использование полупроводниковых фотодиодных имплантов и оптического канала связи с ними. Второй недостаток связан с тем, что длина безопасного разреза оболочки глаза — не более 5 мм, а чтобы улучшить угол обзора, нужно увеличить площадь массива стимулирующих электродов до размеров, сопоставимых с площадью самой сетчатки (20 см2). Ученые работают над различными вариантами решения этой проблемы: самораскручивающийся имплант, установка нескольких миниатюрных имплантов, которые покроют всю сетчатку, размещение импланта не внутри глаза, а в склере.

Почему зрительное протезирование не так распространено, как, например, слуховое?
Во-первых, в мире не так много фирм, производящих импланты, и не так много хирургов, которые умеют их устанавливать. И кстати, не так много врачей, специализирующихся на ведении пациентов со зрительными протезами. Поэтому и стоимость установки импланта высокая — более 10 миллионов рублей. Государственная поддержка подобных операций, на мой взгляд, даже в развитых странах в ближайшем будущем вряд ли осуществится. Во-вторых, для проведения операций нужно получить лицензии и одобрения (например, в США система Argus II получила одобрение FDA — управления по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов), что тоже происходит не быстро.

Каковы перспективы развития технологии бионического зрения?
Следующая задача после улучшения разрешения и угла обзора — восстановление у пациентов черно-белого зрения (о корректном цветовосприятии речь пока не идет). Ведь то, что они видят, это фосфены — вспышки, яркие точки, искры. Есть обнадеживающие исследования, в которых утверждается, что яркость фосфена можно регулировать частотой стимулирующего напряжения. Чтобы создать полноценное бионическое зрение, нужна слаженная работа врачей, физиков, технологов, физиологов, программистов и других специалистов. И не менее важно развивать обладающие высокотехнологичным оборудованием научно-образовательные центры, в которых будут создавать зрительные протезы и учить будущих специалистов. К таким центрам в Петербурге я бы отнес Академический университет, ИТМО, ФТИ им. А. Ф. Иоффе. Когда-нибудь человечеству удастся создать такой имплант, который обеспечит зрение, неотличимое от зрения здорового человека. Но для этого нужно, наконец, как говорил Жорес Иванович Алфёров, «поженить физику и медицину»!