Свет на конце нейрона

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

"Если бы мне Всевышний бог препоручил произвести глаза, я бы сделал их значительно лучше, чем он", - уверял классик офтальмологии Герман Гельмгольц. Занятие было больше ста лет назад. Никто тогда и не думал о всевозможной электронике и компьютерных алгоритмах. В те времена никто вообще не понимал, как ум обрабатывает зрительную информацию. Это сегодня у ученых, которые пытаются конкурировать с природой (или гос­подом богом - кому что нравится), появилось больше шансов.

Тонкий квадратик размером 5 на 5 миллиметров. Если глянуть на него сквозь микроскоп или хотя бы посредством сильную лупу, то не возбраняется увидеть, что эта штука напоминает щетку для волос: вся поверхность покрыта тонкими штырьками, заостренными на конце. Таким побытом выглядит устройство, которое вживляется в головной мозг. Предполагается, что с его помощью беззаветно незрячий мужчина сможет распознавать лица, ориентироваться в пространстве и более того читать.

- Я шибко надеюсь, что зрительный протез войдет в клиническую практику уже лет через десять, - говорит Марианна Иванова, работник Научного центра неврологии РАМН.

Три с половиной года вспять она ещё училась на факультете фундаментальной медицины МГУ и ненароком увидела на стенде интригующее объявление: "Приходите строчить диплом про искусственное зрение". Где-то 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 небольшой приборчик. Инак в нем и телефон, и текстовый редактор, и электронная почта, и музыку разрешается слушать. Отрекомендовать такое лет десять обратно было невозможно. То же самое и со зрительным протезом.

Чем умнее существо, тем "глупее" глаз

Зрительный протез пытаются сформировать 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 зашифровать в память только с третьего раза) названием находится без малого в самом центре Москвы. Красивое, малость мрачноватое сооружение красного кирпича...

Разработчики зрительного протеза: Марианна Иванова и Борис Базиян. Кошка - не экспериментальная, она нетрудно так

- Его построили в конце девятнадцатого века, - поясняет Борис Базиян, начальник лаборатории. - Изначально тут был германский госпиталь, аюшки в 1928 году в этом месте разместили особый академический институт, тот, что должен был постигать разум Ленина. Он до сих пор здесь. Тут вообще хранится интеллект многих великих людей - Павлова, Ландау, Сахарова... Это хранилище вначале контролировал НКВД, опосля КГБ, однако сейчас, наверное, ФСБ.

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

- Нет, я его даже не видел, мне только муляж показывали. Хорошо мне это в особенности и не нужно. Для наших исследований в то время как довольно мозгов животных. Ну вот, например...

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

- Посмотрите, это мозг кошки, ба это, - указывает он на комок побольше, - мозг обезьяны, у него кора паче развита... Вообще мозг - это первый орган зрения. Чем выше порядок развития живого существа, тем меньше образ 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 приметить несколько точек, чтобы мозг мог распознать фигуру - квадрат, треугольник или трапецию.

Вспоминаем слова Гельмгольца о том, что он мог бы сотворить око получше, чем бог. Базиян в реакция качает головой:

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

Когда у сотрудников лаборатории спрашиваешь: "Вы делаете ненастоящий глаз?" - они тут же поправляют: "Мы делаем кортикальный зрительный протез". Ключевое словечко тут "кортикальный", то есть связанный с корой головного мозга. Оттого что зрительные сигналы поступают аккурат 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, следом аюшки передает знак в мозг, где и рождаются зрительные образы.

То есть по большому счету для зрения глаза не обязательны. Тот самый тезис кажется парадоксальным, но как раз на нем основывается разработка зрительного протеза.

Если верно уколоть мозг, разрешено заметить елку

Первая мировая война. Немецкие врачи оперируют бойца, раненного в голову. Операция идет не принимая во внимание наркоза, потому что мозг на практике не чувст­вует боли. Чтобы понять, где здоровые ткани, а где пораженные, врачи стимулируют разные участки мозга слабыми разрядами тока. Рано или поздно электрод касается левой части затылочной доли, пораненый вдруг заявляет:

- Я вижу мерцающие вспышки где-то справа. Крайне внятно вижу, обоими глазами...

Этот результат позднее получил наименование фосфенного зрения (от греческих phos - свет и phaino - показываю). Речь идет о зрительных ощущениях, возникающих у человека сверх воздействия света на глаз.

Мозг обезьяны и ее глаза хранятся в лаборатории уже хоть отбавляй лет

- Вы наверное в детстве падали или обо что-то ударялись. Помните искры в глазах? Это самый-самый несложный образец фосфена, - поясняет Базиян.

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

- Теоретически мы можем таким образом кольнуть мозг, что дядя увидит, например, елку, - говорит Марианна.

Изменяя амплитуду, частоту и длительность электрического сигнала, можно отрегулировать свойство изображения, возникающего в голове у человека. Но самое главное - подавая вместе с тем страсть сколько 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 следовать 37 лет до этого всецело потерял зрение. Этот рискованный опыт как бы бы оказался успешным: Добелль и его коллеги уверяли, что их больной смог распознавать предметы и даже впитывать текст весьма крупные буквы.

Но уровень компьютерной техники в те годы не позволял передвигаться 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 капельку ли не в тонну и размером с большущий шкаф. Естественно, такая организация вряд ли могла подсобить слепым. Потому заинтересованность к этой теме временно угас.

Сейчас компьютерная задача решена. В любом магазине можно достать ноутбук весом не больше килограмма, а через несколько лет систему можно будет совершить вовсе миниатюрной, и джентльмен с "искусственным зрением" снаружи будет не чрезмерно выдаваться в толпе обычных людей.

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

Правда, чуть-чуть смущают провода, которые тянутся от ноутбука к голове и уходят вовнутрь черепа, - согласитесь, представление жутковатое. Но Марианна Иванова успокаивает:

Срезы мозговой ткани кошек, которым был вживлен зрительный протез

- В дальнейшем эта система непременно будет трудиться по беспроволочный связи. Ибо уже в текущий момент есть Wi-Fi , Bluetooth и прочие способы передачи данных.

Здесь на интеллект приходят всякие фантазии в жанре антиутопии. Потому как сигнал на чип может передать и кто-то со стороны. И тогда, как в фильме "Матрица", человек будет лицезреть абсолютно другую реальность... Но до этого еще сильно далеко, в такой степени 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 себе качество фотографии, снятой камерой с разрешением 4 х 4 пикселя (это в полмиллиона раз меньше, чем у банальной "мыльницы"). Тут можно неужто 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 сравнительно полноценной жизни. Человек сможет читать, осведомляться лица, ориентироваться в пространстве, - говорит Борис Базиян.

Конечно, нужно понимать, что "картинка", полученная мозгом, будет выделяться от привычных нам образов. Например, вместо буквы "А" человек может увидать какую-то непонятную фигуру из разрозненных точек и загогулин. Придется учиться. Скажем, пациенту показывают картинку и объясняют, что это именно буква "А", а не ребяческий рисунок домика. Круглым счетом мало-помалу он начнет уяснять текст и постигать предметы.

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

Но если напрячь фантазию, можно придумать, как сделать, чтобы протез превзошел простой глаз. Например, брать вместо одной камеры несколько - так, чтобы человек мог их переключать и при желании видать то, что находится у него вслед спиной. Делимся этой идеей с учеными.

- А отчего бы и нет?! - поддерживает нас Борис Базиян. - У обычного человека уголок обзора меньше 180 градусов. А тут можно свершить все 360.

Поднятая лапка как подтверждение удачи

Наука - вещь серьезная. Здесь не принято принимать на веру даже самые убедительные рассуждения. Поэтому, раньше чем зрительные протезы войдут в клиническую практику, их эффективность нужно доказать. Тем побольше 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 галантно интересуются: "А может, не стоит об этом писать?"

Причина таковый скрытности - опасность со стороны "зеленых" радикалов. На Западе они уже не раз нападали на научные центры, желая эмитировать на волю экспериментальных животных. В настоящее время 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. Неужто они не понимают, что на воле все эти животные очень быстро погибнут? - недоумевает Марианна.

Крыса, которой вживили зрительный протез, чувствует себя полностью бодро

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

Мы пообщались с несколькими предста­вителями "экологических" организаций, ратующих ради отмену опытов над животными. Доля из них тут же выдали заученный контент о жестокости, гуманизме и существовании компьютерных моделей. На свойский вопрос, что же работать людям, страдающим, допустим, слепотой, защитники прав животных сообщали, что нужно новости здоровый образ жизни, не есть мясцо и не пить таблетки - тогда все будет хорошо. Сильнее вменяемые представители зеленых все-таки признавали, что подчас бывают ситуации, кое-когда лишенный чего экспериментов на животных не обойтись. А в Гринписе нам сказали, что у их организации вообще вовсе нет официальной позиции по вопросу, этично или не этично кромсать крыс, - это всякий участник движения решает в частном порядке.

На каждый эпизод хотим предупредить: если хоть единственный зеленый рискнет воспрепятствовать 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. Пускай попробуют нахлобучить на глаза черную повязку и прогуляться по улицам, поездить в автобусе, перейти дорогу, взять хлеб...

Думается, с целью того, чтобы сотни тысяч слепых людей смогли заприметить "свет в конце тоннеля" (в буквальном и переносном смысле), можно пожертвовать десятками, а то и сотнями лабораторных животных.

Кстати, эксперимент сложно прозвать жестоким. Главное действующее физиомордия в нем - кошка. Этот наружность выбрали потому, что его зрительная система сходна по строению с человеческой (больше, чем, например, у собаки). Животных сперва дрессируют - учат на свет фонаря взметать лапу. Из-за правильные действия они получают награду в виде кусочка мяса или сухого корма.

- Кошки - существа смышленые, обучаются после одну-две недели. С ними вообще мило работать, особенно, если это совершать ласково, - говорит Борис Базиян, поглаживая совершенно довольную жизнью кошку по кличке Маська. Она, правда, в экспериментах не участвовала - легко живет при лаборатории для поднятия настроения сотрудников.

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

Дальше кошек... нет, не ослепляют, им несложно завязывают глаза. На матрицу подается электрический сигнал. Опять-таки уточняем: ток слабенький и совершенно 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-когда я в первостепеннный 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 привнести в законы поправку, дающую право слепым с такими протезами обретать 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 возникнуть 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 касательство - страдает атрофией зрительного нерва, из-за чего один глаз его практически ничего не видит. Запрещено сказать, что это шибко усложняет жизнь, - одного глаза вполне достаточно, чтобы кроме очков по нескольку часов в день сиживать перед монитором. Но зачем бы не применять свойский 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 вслед за имплантацию людям.

Ну как же тут безо нанотехнологий...

Мы продолжительно ждали, временами же прозвучит это слово. И вот наконец...

- Нам здесь не устроиться минуя нанотехнологий, - произносит Борис Базиян.

Первым желанием было поерничать на тему вездесущей приставки "нано". Но потом объяснений становится ясно: действительно, минус 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 приятель от друга (короткое замыкание внутри черепной коробки - звучит жутковато).

Теоретическая методика зрительного протеза вполне понятна, но предстоит еще найти решение массу вопросов. Не начнется ли воспаление в мозге, затем того как туда внедрят инородное тело? Не подвергнется ли металл коррозии, ведь кора мозга не самое сухое местоположение в мире? Не погнутся ли тонюсенькие электроды, от случая к случаю их будут устанавливать? Не вызовет ли электрическая стимуляция мозга какого-нибудь расстройства типа эпилепсии?..

Так что у ученых еще полно работы.

- Например, в текущее время стало понятно, что электроды должны не просто трогать поверхности коры, а вступать в нее на 1-2 миллиметра. Тогда можно использовать ток на порядки слабее, - рассказывает Борис Базиян.

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

- При выборе материала для электродов производители матриц уже перепробовали еле-еле==немного ли не все благородные металлы: золото, платину, оксид иридия, - перечисляет Марианна.

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

- По идее, они с этим устройством в голове могут быть сколько угодно, - успокаивают ученые.

Но эксперименты все одинаково продолжаются. Все-таки для до того рискованных операций уверенность должна быть стопроцентной. Тем больше что кроме технических и физиологических тонкостей есть еще и психологические.

Увидеть человека, которого целуешь

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

Чтобы принять комментарии, мы встретились с Игорем Медведевым - директором и основателем одной из самых крупных в России частных офтальмологических клиник (она что-то около и называется - Клиника Игоря Медведева). Не успев дослушать свой расклад о возможностях зрительного протеза, Медведев едва-едва не закричал:

- Все это ерунда! Нехай 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 скажем жить. Мой муж, с которым мы вкупе 28 лет, также незрячий. Всю действительность мы работаем. Живем в согласии. В таком духе что мы и за исключением. ant. с всяких устройств способны дожить наш столетний период спокойно. Да что ты и не очень я разбираюсь в этой современной технике, - признается 63−летняя Людмила Черемнова из Новосибирска.

Люди помоложе, похоже, готовы рискнуть.

- Этакий план 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 хоть куда ноутбук и с функциональностью граммофона. Несмот­ря ни на что, любой незрячий верит в близкое "светлое будущее" и надеется, что когда-нибудь увидит, кого ночью целует. И я, наплевав на весь свой скепсис, мечтаю очутиться 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 существенно дешевле.

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

Фото: Кирилл Лагутко для "РР"; Варвара Лозенко для "РР"

При участии Анны Войтко и Анастасии Барей

Keywords: