СЛЕДУЮЩИЙ РУБЕЖ ДЛЯ МОЗГОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ – ИСКУССТВЕННОЕ ЗРЕНИЕ

В мозгу у Брайана Буссарда установлено 25 крошечных чипов. Их вживили в феврале 2022 года в рамках исследования, в ходе которого тестируется беспроводное устройство, предназначенное для воспроизведения элементарного зрения у слепых людей. Брайан Буссард стал первым участником.

56-летний Буссард потерял зрение на левом глазу в 17 лет после отслоения сетчатки. В 2016 году за ним последовал правый глаз, в результате чего он стал полностью слепым. Он хорошо помнит тот момент, когда это произошло. "Это было самое тяжелое, что я когда-либо пережил", – говорит он. В конце концов Брайан научился приспосабливаться.

В 2021 году он услышал об испытаниях "зрительного протеза" в Иллинойском технологическом институте в Чикаго. Исследователи предупредили, что устройство является экспериментальным и ему не стоит рассчитывать на возвращение прежнего уровня зрения. Тем не менее, он был достаточно сильно заинтересован, чтобы согласиться на участие. Благодаря чипам в мозгу Буссард получил ограниченное искусственное зрение, которое он описывает как "вспышки на экране радара". С помощью имплантата он может воспринимать людей и предметы, представленные в виде белых и переливающихся точек.

Буссард – один из немногих в мире незрячих людей, которые решились на операцию на мозге ради восстановления зрения. В Испании исследователи из Университета Мигеля Эрнандеса имплантировали аналогичную систему четырем людям. Испытания стали кульминацией десятилетий исследований.

Интерес проявляет и промышленность. Калифорнийская компания Cortigent работает над имплантатом Orion, который уже вживили шести добровольцам. Разработкой мозгового имплантата для зрения занимается и компания Илона Маска Neuralink. В марте в своем посте в сети X Маск сообщил, что устройство Neuralink под названием Blindsight "уже успешно тестируется на обезьянах". Он добавил: "Сначала разрешение изображения будет низким, как у первых графических игр Nintendo, но в конечном итоге оно сможет даже превысить зрение обычного человека".

Последнее предположение маловероятно, учитывая, что зрение – это очень сложный процесс. Существуют огромные технические барьеры для повышения качество того, что люди могут видеть с помощью мозгового имплантата. Однако даже восстановление элементарного зрения может помочь слепым людям обрести больше независимости в повседневной жизни.

"Речь идет не о том, чтобы вернуть биологическое зрение", – говорит Филипп Тройк, профессор биомедицинской инженерии в Иллинойском технологическом институте, руководящий исследованием, в котором участвует Буссард. "Речь идет об изучении того, каким искусственное зрение может быть".

Когда свет попадает на глаз, он сначала проходит через роговицу и хрусталик – внешний и средний слои глаза. Когда он достигает задней стенки глаза – сетчатки, находящиеся там клетки, которые называются фоторецепторами, преобразуют его в электрические сигналы. Эти электрические сигналы передаются по зрительному нерву в мозг, который интерпретирует их как изображение, которое мы видим.

Если сетчатка или зрительный нерв повреждены, глаза не могут взаимодействовать с мозгом. Так происходит со многими людьми, которые страдают полной слепотой. Устройства, которые разрабатывают Тройк и Neuralink, полностью минуют глаз и зрительный нерв, отправляя информацию прямо в мозг. Благодаря этому с их помощью можно решить любую причину слепоты, будь то заболевание глаз или травма.

Область мозга, обрабатывающая информацию, получаемую от глаз, называется зрительной корой. Она расположена в затылочной части головы, поэтому она хорошо доступна для имплантации. Чтобы установить 25 чипов в мозг Буссарда, хирурги провели обычную краниотомию, в ходе которой удалили часть его черепа.

Чипы в мозге Буссарда представляют собой миниатюрные стимуляторы, которые излучают слабый электрический ток. Один чип размером с ластик карандаша содержит 16 крошечных электродов, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Каждый электрод может управляться индивидуально. Всего Буссарду имплантировали 400 электродов. "Это как сотовая сеть в мозгу", говорит Тройк.

Камера, закрепленная на очках, снимает окружающую обстановку. Получаемые изображения обрабатываются специальным программным обеспечением и преобразуются в команды, передаваемые в сеть чипов, в результате чего активируются отдельные электроды, стимулирующие нейроны. В результате такой стимуляции возникают зрительные ощущения, так называемые фосфены, которые выглядят как световые точки – вот только свет в глаза не попадает.

Поскольку все стимуляторы сгруппированы в одной части зрительной коры, Буссард видит фосфены только в левой нижней части своего зрительного поля. Но этого достаточно, чтобы улучшить его способность ориентироваться в комнате и выполнять бытовые задачи, например, определять тарелку среди четырех различных предметов на столе.

Получение более качественного изображения – один из главных вызовов для таких систем. "В теории, чем больше установлено электродов, тем больше фосфенов можно получить и тем более сложные изображения можно сформировать искусственно", говорит Син Чен, доцент кафедры офтальмологии Питтсбургского университета.

В прошлом году Чен и ее коллеги опубликовали исследование о созданном ими зрительном протезе с 1 024 электродами. При тестировании их системы на обезьянах животные смогли распознавать искусственно сгенерированные буквы. Необходимое количество электродов для восстановления как минимум слабого зрения у людей варьируется от сотен до тысяч. Но Тройк считает, что важно не столько количество электродов, сколько их расположение: если их верно распределить по зрительной коре, то можно получить больше световых пятен в более широком поле зрения. Однако это может означать необходимость проведения более инвазивной операции.

В исследовании, проведенном в Университете Мигеля Эрнандеса в Испании, добровольцам вживляли всего одно устройство, оснащенное сотней электродов. Однако, согласно результатам, опубликованным в 2021 году, даже эта система позволила 60-летней женщине распознавать линии, формы и простые буквы. По словам Эдуардо Фернандеса, нейробиолога, руководившего исследованием, ученым удалось подтвердить полученные результаты, установив зрительный протез еще троим слепым добровольцам.

Он подчеркивает, что искусственное зрение – это "не то же самое, что видеть заново". Его главная цель – улучшить ориентацию и мобильность слепых людей. В одном из тестов человек, пользующийся протезом, смог самостоятельно избегать препятствий во время ходьбы по беговой дорожке в режиме виртуальной реальности. В будущем Фернандес планирует добавить больше электродов, чтобы увеличить количество фосфенов и получить более детальные изображения.

Пока что его команда узнает много нового от четырех добровольцев, принявших участие в исследовании. У каждого человека зрительная кора немного отличается, поэтому исследователям приходится экспериментировать с расположением имплантируемых электродов и интенсивностью электростимуляции. "Мы подбираем методы стимуляции отдельно для каждого добровольца", рассказывает Фернандес.

Настройка имплантатов для достижения оптимальной эффективности – сложная задача. В ходе ранних экспериментов по созданию искусственного зрения ученые использовали большие электроды, которые размещались на поверхности мозга и нуждались в относительно сильном электрическом токе для создания фосфенов. Такая стимуляция иногда вызывала судороги, боль и повреждение тканей мозга. Чен говорит, что необходимо найти баланс между током, при котором возникают фосфены, но при этом не возникает нежелательных побочных эффектов.

Еще одно препятствие – долговечность устройств, имплантируемых в мозг. В исследованиях, проведенных в Питтсбурге и Испании, ученые использовали жесткое устройство под названием микроэлектродная матрица Utah Array – это квадратная сетка из 100 крошечных кремниевых игл, на конце каждой из которых находится электрод. Utah Array может служить от нескольких месяцев до нескольких лет, но иногда устройство перестает работать, когда вокруг имплантата формируется рубцовая ткань, мешающая ему улавливать сигналы от близлежащих нейронов. Имплантаты команды из Иллинойса выглядят как головки маленьких расчесок и они сделаны из оксида иридия, одного из видов металла. В отличие от них, в устройстве Orion компании Cortigent используются электроды, размещаемые на поверхности зрительной коры, а не в тканях мозга.

Neuralink и другие компании занимаются разработкой устройств с более компактными и гибкими электродами, способными проникать в мозг. Например, устройство Neuralink в форме монеты помещается в череп, а тонкие, похожие на нити электроды углубляются в ткани мозга. По словам Чена, использование более гибких электродов может увеличить срок службы имплантата, но пока неясно, как долго эти альтернативы смогут прослужить в мозге.

Еще один вопрос, на который пока нет ответа, заключается в том, влияет ли продолжительность слепоты человека на то, насколько хорошо работают эти устройства. Первый участник испанского исследования был лишен зрения в течение 16 лет и, тем не менее, смог увидеть приблизительные формы. А Буссард был абсолютно слепым в течение шести лет.

"Нам известно, что после нескольких лет слепоты зрительная система начинает деградировать", объясняет Чен. "Возможно, что чем раньше вы сможете вмешаться, тем лучше, хотя это еще предстоит систематически изучить и доказать".

В ноябре 2022 года Маск сообщил, что "даже если у кого-то никогда не было зрения, например, он родился слепым, мы верим, что сможем восстановить его". Фернандес в этом не уверен, но он отмечает, что восстановить зрение у слепых от рождения людей еще никогда не пытались. По его словам, теоретически человек должен иметь функционирующую зрительную кору головного мозга. Но люди, которые рождаются слепыми, никогда не использовали эту часть мозга для обработки визуальной информации.

Сейчас Буссард ограничивается использованием своего зрительного протеза в лаборатории, где исследователи могут следить за стимуляцией. Тройк и его коллеги работают над разработкой мобильной системы, чтобы будущие участники проекта могли использовать устройство дома. Тройк ищет добровольцев, которые потеряли зрение в зрелом возрасте, но имели нормальное или почти нормальное зрение в течение как минимум первых 10 лет жизни. В рамках исследования, проводимого в Испании, участникам имплантируют зрительный протез на шесть месяцев, после чего его удаляют в соответствии с протоколом испытаний.

По словам Буссарда, он с удовольствием использовал бы устройство за пределами лаборатории. У него есть глухая и полуслепая собака, и он шутит, что ему было бы гораздо проще найти своего пса, если бы он мог использовать свой протез дома. Но он осознает, что, возможно, за свою жизнь он не сможет получить больше пользы от этого устройства. "Я делаю это отнюдь не ради себя, а скорее ради будущих поколений", рассказывает он о своем участии в испытаниях.