Нейроимплант, возвращающий зрение

Исследователи из испанского Университета Мигеля Эрнандеса представили мозговой имплант на основе внутрикорковых микроэлектродов, который помог слепой пациентке частично вернуть зрение. Миниатюрная видеокамера, встроенная в специальные очки, сканирует находящиеся впереди объекты, и через электроды сигнал в виде электрических импульсов передается в мозг. Женщина впервые за 18 лет может различать алфавит и контуры предметов.

Имплантируемое устройство — это небольшая матрица со ста микроэлектродами. По словам самих разработчиков, предстоит решить еще десятки проблем, чтобы подготовить прибор к массовому использованию.

В России тоже представили имплант для головного мозга. Как говорят его создатели, он позволит вернуть предметное зрение и социальную независимость, возможность самостоятельно ориентироваться в пространстве и точно определять объекты, которые попадают в поле зрения камеры. Устройство под названием ELVIS — прорывная технология в области мирового нейропротезирования и первая подобная разработка в стране.

Диптех для мозга

Над системой кортикального импланта совместно работают специалисты фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» и лаборатории «Сенсор-Тех» — дочерней организации фонда. Лаборатория — резидент фонда «Сколково». Многие ее проекты поддержаны Агентством стратегических инициатив, отраслевым союзом «Нейронет» и реализуются в рамках дорожной карты НТИ.

«Электроды испанских исследователей выглядят как иголочки. Эти сто иголочек прокалывают поверхность, проникают внутрь ткани мозга, и на их кончики идет электрический сигнал, — рассказал “Стимулу” руководитель медицинских проектов компании “Сенсор-Тех” Андрей Демчинский. — А по технологии, которую использует “Сенсор-Тех”, электроды накладываются на поверхность в виде пленки. В испанском варианте есть некий плюс, потому что клетки, которые нам нужно стимулировать, находятся чуть-чуть глубже, чем поверхность, и поэтому в случае проникновения иголок нужен меньший ток».

А минусы, по словам специалиста, следующие: во-первых, это иголки, и происходит повреждение мозговой ткани. Второй минус заключается в том, что иглы, в отличие от пленок, недолговечны, пока это основная проблема, с которой борются ученые, применяющие данную технологию.

«Есть еще один важный момент, — поясняет Андрей Демчинский. — Центральное зрение, с помощью которого мы читаем, ориентируемся, воспринимаем мелкие детали, находится в затылочной части между долями мозга. По той технологии, которую используем мы, хирург вскрывает кость, раздвигает доли и кладет туда эту пленочку, она очень тонкая, 20 микрон».

Игольчатые электроды не предназначены для размещения между долями, и поэтому метод испанских ученых задействует периферическое зрение. А с его помощью очень сложно, к примеру, читать текст. Задача периферического зрения — отвечать за движение, и оно сильно уступает центральному в плане зрительного восприятия.

Кроме того, для импланта ELVIS разработан специальный софт с искусственным интеллектом. Он обрабатывает изображение с камеры, человек видит контуры в виде набора вспышек, и ему в наушники говорят, что находится впереди. Часто объекты по форме бывают похожи, и ELVIS помогает их различать.

«К примеру, если внести в базу фотографии людей, искусственный интеллект подскажет, кто стоит перед тобой: мама, папа, сестра, тетя Валя или еще кто-то, — говорит Андрей Демчинский. — Это одно из наших принципиальных новшеств, которых еще нет ни у кого».

Впервые в мире визуальные импланты людям установила американская компания Second Sight. С 2018 года шесть человек ходят с их поверхностными, не проникающими имплантами такого же типа, как у компании «Сенсор-Тех».

«Создание импланта ELVIS — большой междисциплинарный проект. На международном уровне это называется Deep Tech, глубокие технологические инновации, — рассказал “Стимулу” директор лаборатории “Сенсор-Тех”, руководитель проекта ELVIS Денис Кулешов. — Мы проводим несколько десятков исследований, какие-то из них длительные, около года, какие-то более краткосрочные, несколько месяцев. И не все наши исследования связаны с медициной, с инвазивными технологиями. В импланте есть еще большая часть, связанная с программным обеспечением, ведь изображение нужно еще правильно обработать».

Проект разрабатывается в сотрудничестве с ведущими научными центрами. Ключевой партнер — Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, который изучает все, что связано с мозгом. Центр коллективного проектирования РТУ МИРЭА помогает по технологической части. В исследованиях на разных стадиях также участвуют Сеченовский университет, ДВФУ. Сейчас разработчики выстраивают работу еще с несколькими научными учреждениями, одно из них — Научный центр неврологии.

Вместо глаз — камеры

«В заднем отделе мозга расположена зона зрительной коры, которая отвечает за зрение, и на самом деле мы видим не глазами и зрительным нервом, а мозгом, — поясняет Денис Кулешов. — Глаза и зрительный нерв — это лишь сенсоры, которые получают информацию и передают в мозг. Когда глаза или зрительный нерв повреждены и человек уже не видит, его последним шансом остается передавать изображение, например, с внешней камеры напрямую в зону зрительной коры головного мозга».

Такие исследования проводились во многих странах начиная с 70-х годов прошлого века. И научно доказано, что если стимулировать зону зрительной коры малыми токами, то человек у себя в голове, в сознании, будет видеть светлую точку или вспышку. В научной литературе она называется фосфен, то есть вспышка светлого, белого цвета. Если ток увеличивается, вспышка становится сильнее. Если участвуют, к примеру, три электрода, которые выстроены в линию, эти три вспышки приобретают форму линии. А если электродов гораздо больше, несколько сотен, из них уже можно конструировать очертания объектов.

«Но здесь стоит понимать, что это особенное, электронное зрение, оно получено для человека принципиально другим путем — путем электрической стимуляции мозга, — говорит руководитель проекта. — Это картинка не как у Терминатора, но условно можно представить себе черно-белое изображение, где все объекты выполнены в виде линий, очертаний, контуров. То есть, к примеру, нельзя оценить, из каких материалов сделан стул, железный он или деревянный, но совершенно точно можно понять, что перед тобой находится некий объект, по контуру похожий на стул».

В системе ELVIS процесс передачи изображения в мозг обеспечивают три блока:

— имплант, который устанавливается в зрительную кору головного мозга и стимулирует его малыми токами. Благодаря этому человек начинает испытывать зрительные ощущения и видит вспышки света;

— обруч с двумя камерами, который пользователь носит его на голове, и камеры считывают изображение в реальном времени, выполняя функцию глаз;

— микрокомпьютер, который анализирует изображение с камер, выделяет контуры важных объектов и передает обработанные кадры прямо на имплант в мозг. Микрокомпьютер крепится на поясе пользователя.

«Принцип простой: нужно поместить электроды в зону зрительной коры, — рассказывает Денис Кулешов. — Электроды — это такая пленка, на ней сто металлических окончаний, на которые подается электрический ток, и это они стимулируют зрительную кору. Дальше проводки от электродов аккуратно выводятся наружу, через череп, и уже под кожей замыкаются на микропроцессор со специальной антенной, который управляет электродами и получает информацию снаружи. Остается решить последнюю задачу, ведь эти электроды должны откуда-то брать информацию, то есть нужно на голове носить камеру. Поэтому у нас во внешней части системы есть такой обруч с камерами, который надевается на голову».

Сначала крысы, потом обезьяны

Проект по разработке нейроимпланта для восстановления зрения сейчас на стадии доклинических испытаний. Все компоненты приходится делать с нуля, и каждый, перед тем как через два-три года его разрешат испытывать на незрячих добровольцах, сначала нужно проверить на животных.

«Со слепыми животными мы, конечно, не работаем, — рассказывает Денис Кулешов. — У грызунов мы стимулируем зону моторной коры, которая отвечает за движения. И когда мы ее стимулируем очень малыми токами, у животных немного подрагивают усики — вибриссы. Главное — научиться правильно регулировать сигнал в режиме реального времени, правильно подбирать так называемые паттерны, то есть задача сейчас во многом связана с биологической совместимостью, с функциональностью, с тем, как настроить электронику, чтобы она правильно передавала сигнал на мозг».

В следующем году создатели импланта планируют испытания на обезьянах: отрабатывать не только биологическую совместимость, работу микроэлектроники, ее калибровку, но еще и проводить функциональные тесты. Обезьяна должна будет с помощью такого электронного зрения что-то увидеть.

По словам разработчиков, животные сначала просто тренируются различать в пространстве какие-то объекты, к примеру белые квадратики или белые кружочки. Потом в какой-то момент, когда у животного уже стоит имплант, ему просто надевается маска на глаза, и оно перестает что-либо видеть. А за счет того, что имплант начинает передавать изображение, то уже в сознании обезьяны будут возникать эти образы — квадратик, кружочек и так далее.

«Поскольку до этого животное было натренировано делать определенные вещи при виде разных объектов, то, когда оно увидит, например, квадратик, будет делать то же самое. Ну и получать в качестве приза какой-нибудь вкусный банановый коктейль. Так можно понять, что обезьяна действительно видит то, что мы передаем», — говорит руководитель проекта.

В 2024 году кортикальный имплант будет установлен десяти незрячим добровольцам. А с 2027 года, как надеются разработчики, операции станут широко доступны в России, а затем и в других странах.

Не хуже, чем у американцев

Несколько лет назад подопечные фонда «Со-единение» первыми в России получили бионическое зрение. Это американские бионические импланты компании Second Sight, только технология, по которой они созданы, основана немного на другом принципе. Есть несколько заболеваний, которые ведут к слепоте из-за того, что у человека перестает нормально работать сетчатка. В сетчатке расположено много миллионов клеток, которые отвечают за то, чтобы из света, который поступает в глаз, вычленить и интерпретировать информацию об окружающем мире. Из школьного курса биологии мы знаем, что за это отвечают палочки и колбочки, которые различают свет в нужных спектрах и диапазонах.

Дальше запускается химическая реакция, она передает информацию на нервные окончания сетчатки. И уже с этих нервных окончаний через зрительный нерв всё поступает в головной мозг. То есть сетчатка в человеческом организме — это как матрица в современном фотоаппарате, которая воспринимает свет, и в результате мы и видим цифровой снимок.

«Когда сетчатка перестает работать из-за таких заболеваний, как, к примеру, пигментный ретинит, человек перестает видеть, поскольку палочки и колбочки уже не запускают нужные химические реакции. Но нервные окончания сетчатки, как правило, еще остаются. И на эти нервные окончания идет воздействие по тому же принципу, что и в случае с имплантами в мозг. Если начать электричеством стимулировать сетчатку, нервы сетчатки будут этот импульс воспринимать и через зрительный нерв передавать в мозг. А мозг уже будет думать, как с этим разбираться. В этой матрице, которая была установлена прямо на сетчатку, содержалось 60 электродов, то есть матрица 6 на 10», — пояснил Денис Кулешов.

Проект поддержали благотворительные фонды «Со-единение» и «Искусство, наука и спорт». Они выделили средства на американские импланты для двух подопечных. Пациенты носят очки с камерой и видят некие очертания, контуры объектов, то есть им черно-белая система из 60 электродов-точек передает информацию о том, что находится впереди. Можно понять, к примеру, что впереди находится какой-то крупный объект.

«Когда эти операции провели, они имели колоссальный социальный эффект, — говорит Денис Кулешов. — Сами пациенты были очень рады получить такое новое электронное зрение, и с тех пор мы с фондом “Со-единение” решили, что было бы очень здорово, если бы в России появился свой нейроимплант. Тот опыт и те возможности технологий, которые мы увидели, подтолкнули идти дальше. В результате фонд “Со-единение” инициировал проект по разработке импланта в мозг, чем “Сенсор-Тех” сейчас и занимается. Рассчитываем, что к 2026 году уже все компоненты будут протестированы на людях и у нас появится такая эффективная медицинская система восстановления зрения», — говорит Денис Кулешов.

Совершить чудо

По данным ВОЗ, в мире насчитывается более 161 млн слабовидящих и 37 млн незрячих людей. Около 300 тыс. слепых живут в России. Кортикальный имплант ELVIS сможет вернуть зрение как минимум 20% из них. Технология подойдет для людей, которые полностью потеряли зрение, но у них сохранен мозг и имеется зрительный опыт.

Нейроимплант ELVIS поможет тем, для кого сегодня больше недоступны никакие методы терапевтического и хирургического лечения. К этой группе относятся пациенты с такими сложными заболеваниями, как терминальная глаукома (занимает первое место во всем мире как причина необратимой слепоты), терминальный пигментный ретинит, генетические дистрофии сетчатки, тотальная отслойка сетчатки, опухоли зрительного нерва и зрительных путей. Кортикальный имплант также позволит видеть людям, у которых по какой-либо причине физически отсутствуют глаза.

«Сейчас установка такого нейроимпланта показана только тем, кто совсем ничего не видит. Поскольку это серьезная нейрохирургическая операция, у человека не должно быть еще каких-то сопутствующих серьезных хронических заболеваний. Плюс есть возрастные критерии. Двадцать процентов слепых людей — это возможности ближайшего будущего. Операции по установке импланта в мозг будут все больше и больше внедряться в медицинскую практику, все больше и больше поддерживаться в разных странах на уровне государств, страховых компаний и так далее. Поэтому, наверное, лет через пятнадцать количество людей, которым можно будет помочь, очень сильно увеличится», — уверен Денис Кулешов.

Слепым с рождения тоже можно ставить такие импланты, но пока нет точного подтверждения, насколько эффективно и быстро мозг такого человека сможет адаптироваться.

Если у человека был зрительный опыт и он его потерял, мозг достаточно быстро, за полгода реабилитации, научится хорошо разбираться с таким электронным зрением и использовать его на практике.

«Мозг применяет те знания, которые у него были раньше накоплены, к тому, что он видит сейчас. Зрительная кора уже была развита, сформирована и активно использовалась, и когда человек в течение дня на реабилитации будет видеть очертания людей, но выполненные в форме некоего электронного зрения, в виде вспышек, он очень быстро начнет свои слои нейронных связей перестраивать под эти образы», — считает Денис Кулешов.

Как правило, через один-два месяца слепой уже начнет видеть очертания предметов. А через полгода, скорее всего, сможет использовать электронное зрение на все сто процентов. По мнению разработчиков, мозг слепых от рождения тоже, конечно, научится, но пока трудно сказать, насколько долго придется проходить процесс реабилитации, чтобы выжать из такого импланта максимум.

«У тех, кто не видел никогда, немного по-другому формируется понимание об окружающем мире, — поясняет руководитель группы разработчиков, — оно больше завязано на тактильные ощущения, на звуковые. И можно будет провести еще одно интересное мини-исследование, поставить такие импланты слепым от рождения и посмотреть разницу в восприятии окружающего мира у тех, кто имел зрительный опыт, и тех, кто его не имел».

В дальнейшем команда проекта ELVIS планирует разработать импланты для лечения других патологий и заболеваний. Например, нейрочип сможет помочь пациентам, страдающим болезнью Паркинсона, заблокировать аномальные сигналы, которые исходят из определенных зон мозга. Импланты также могут убрать хронические болевые синдромы. Регистрирующие электроды в головном мозге позволят управлять бионическими протезами руки силой мысли. Вживление микрочипов с электродами в соматосенсорную кору даст пользователям возможность испытывать тактильные ощущения от протеза.