Электронная сетчатка, мост между компьютером и мозгом, умные протезы и другие бионические технологии из научной фантастики, уже ставшие реальностью.

Новый специальный выпуск журнала Science Translational Medicine почти полностью посвящен биороботическим технологиям, которые либо уже вошли в медицинскую практику, либо в самое ближайшее время будут использоваться для восстановления зрения, подвижности и прочих возможностей, утрачиваемых из-за болезни или несчастного случая. Вот самые интересные из этих технологий.

Искусственные глаза

Пока что в мире нет протезов, полноценно восстанавливающих зрение, но есть разработки, которые частично его восполняют. Причем, что важно, эти технологии уже применяются на людях.

Часто человек теряет зрение от того, что атрофируются фоторецепторы (палочки и колбочки, известные всем со школьных уроков биологии), клетки которых переводят свет в нервные импульсы, затем передающиеся по зрительному нерву в кору мозга. Если слепота наступает из-за разрушения клеток сетчатки, а все, что выше (зрительный нерв и сама кора полушарий мозга), остается невредимым, то вполне логично попытаться заменить неработающие фоторецепторы искусственным светочувствительным элементом и подсоединить их к зрительному нерву или вживить пучки микроэлектродов в мозг – чтобы информация с искусственного зрительного органа направлялась сразу в зрительную кору.

Сегодня около двух десятков научных групп трудятся над разными вариантами глазных имплантатов, которые могли бы заменить деградировавшую сетчатку. Только два устройства дотянулись до клинических испытаний: ARGUS II и Alpha IMS.

Первый работает так: видеокамера, вмонтированная в очки, улавливает изображение, которое затем передается в небольшой компьютер; его человек может носить на ремне. Этот компьютер переводит картинку с камеры в сигналы, которые будут понятны мозгу, и передает их беспроводным способом на имплантат, закрепленный в глазу – на поверхности сетчатки. Имплантат состоит из устройства, улавливающего сигналы, и матрицы из 60 микроэлектродов, крепящихся к ганглионарным клеткам, которые, в свою очередь, отправляют сигнал дальше на зрительный нерв. Постепенно пациенты учатся понимать информацию, которая поступает с видеокамеры:

Пока что это устройство было испытано на тридцати американцах и двадцать одном европейце. О восстановлении зрения, конечно, речи не идет, поскольку система слишком примитивна, но показано, что пациенты лучше могут обнаруживать предметы и замечать движение. В целом доказано, что слепые люди становятся более подвижны, реже наталкиваются на предметы и вообще живут более комфортной жизнью. Стоит такой прибор 150 тысяч долларов, не считая стоимости операции по вживлению имплантата.

Созданный немецкими нейробиологами Alpa IMS устроен принципиально иначе. Он состоит из матрицы разрешением 1500 светочувствительных пикселей, в каждом – свой диод, усилитель и электрод. Матрица вживляется под поврежденную сетчатку и фактически заменяет ее. Информация с имплантата передается на биполярные клетки сетчатки, которые затем отправляют ее в зрительную кору мозга. При этом яркость картинки регулируется устройством, которое закрепляется за ухом, на поверхности головы.

Этот имплантат обладает более высоким разрешением по сравнению с ARGUS II. Но штука в том, что они предназначены для разных заболеваний. В общей сложности Alpha IMS был уже испытан сначала на одиннадцати, затем еще на девяти пациентах в Германии и прямо сейчас проходит испытания еще на девятнадцати пациентах с пигментной дистрофией сетчатки.

Две виртуальные руки, управляемые прямо из мозга

Группа ученых под руководством Мигеля Николелиса из Медицинского центра Университета Дюка сделала очередной большой шаг в развитии бионических протезов, управляемых силой мысли. На этот раз они создали устройство (BMI или brain-machine interface), которое связывает мозг с двумя виртуальными руками, и научили двух макак выполнять этими виртуальными руками согласованные действия.

Для этого животным внедрили в двигательную кору мозга матрицы, состоящие из нескольких сотен микроэлектродов, чтобы регистрировать активность более чем 500 нейронов одновременно (что само по себе мировой рекорд).

Информация с микроэлектродов передается в компьютер, и по мере обучения создается алгоритм, увязывающий активность определенных нейронов с движениями, которые обезьяна пытается совершить, пока с помощью джойстика она учится манипулировать виртуальными руками. Через десять-пятнадцать сессий животные вполне управлялись с заданиями, которые требовали согласованных движений виртуальных конечностей на экране компьютера. Когда интерфейс, связывающий активность нейронов с движениями рук на экране, отлажен, лапы животного привязывают к подлокотнику, чтобы обезьяна не могла ими шевелить и управляла виртуальными руками прямо из мозга.

До этого ученым удавалось создать управляемую бионическую руку и даже подсоединить ее к мозгу парализованной пациентки, однако две руки, хоть и виртуальные, выводят исследование на абсолютно новый уровень. Ведь большую часть движений в обычной жизни мы совершаем, не только скоординировав действия двух рук, но одновременно управляя всем телом.

Новый интерфейс, увязывающий работу мозга с двумя виртуальными руками – это шаг на пути к роботическому экзоскелету, который позволит полноценно двигаться парализованному человеку.

Центр управления мочевым пузырем

Еще одно изобретение, которое очень пригодится парализованному человеку, представила международная группа биоинженеров из Лозанны, Кембриджа и Лондона. Среди прочего, парализованный ниже пояса человек теряет способность управлять собственным мочевым пузырем (не чувствует его наполнения и не может произвольно контролировать его опорожнение).

Пока что единственный способ бороться с этим состоит в том, чтобы перерезать задние корешки спинномозговых нервов и поставить стимулятор на передние. Тогда пациент может, нажав на кнопку, провоцировать в нужный момент опорожнение мочевого пузыря. Но когда этот нужный момент возникает, он может лишь догадываться, поскольку чувствительность утрачена, причем навсегда: перерезка задних корешков – это необратимая операция. К тому же после их перерезки человек теряет всякий шанс когда-либо заняться сексом.

Все эти недостатки отсутствуют в новом интерфейсе, заменяющим рефлекторный центр мозгу (связь с которым у парализованного человека утрачена). Этот прибор снимает информацию с чувствительных нервов, обрабатывает ее и, когда необходимо, стимулирует опорожнение с помощью стимуляции соответствующих передних корешков спинного мозга. Изменяя частоту стимуляции нервов, прибор дирижирует всем процессом, подавляя и самопроизвольное опорожнение в ненужный момент, и спазмы мышц, мешающие опорожнению, в нужный.

Пока подобный успешный эксперимент ученые провели только на крысах. Существующее оборудование не годится для человека, поскольку требует участия нескольких сложных элементов, управляемых лаборантом (компьютер с интерфейсом, блокатор деполяризации и стимулятор). Однако в статье ученые также описывают аналогичную, но более автоматизированную систему, удобную для человека: специальные датчики по беспроводной связи передают сигнал, что мочевой пузырь полон, и пациент, нажав на кнопку, может опорожнить его тогда, когда удобно. Внедрение такого прибора в клиническую практику - вопрос времени.

Точная копия утраченной ноги

Чтобы совершить один шаг, мы используем больше двухсот мышц. В каждую секунду работа всех двухсот мышц хорошо скоординирована, поэтому движение получается точным и плавным. И, с одной стороны, мы совершаем его, не задумываясь, с другой, всегда можем произвольно изменить его. В идеале протезы конечностей должны полностью воспроизводить такое сложное движение. Для этого искусственная конечность должна быть либо идеально связана с центральной нервной системой (что пока недостижимо), либо обладать собственным компьютерным мозгом, который хотя бы частично заменял бы настоящий, – и это уже более или менее реально благодаря новым технологиям.

Более энергоемкие аккумуляторы, бесколлекторные магнитные электродвигатели, микроскопические электромеханические сенсоры и некоторые электроинженерные достижения позволяют делать более сложные компактные протезы, которые повторяли бы биомеханику человеческой ноги. Смысл искусственной конечности состоит в том, что все ее ключевые элементы (стопа, голеностопный сустав, колено, а также все моторные элементы, заменяющие мышцы), снабжены сенсорами. Информация с сенсоров и с электромоторов передается в микропроцессор (заменяющий безусловные рефлексы), где она обрабатывается и согласуется, чтобы в итоге движение получалось скоординированным не только внутри самого протеза, но и с движениями второй ноги.

С такой активной «умной ногой» человек сможет подниматься вверх по ступеням и совершать другие активные движения, которые невозможно делать с существующими сегодня пассивными протезами.

Профессор Хью Херр из MIT – один из ведущих разработчиков роботических протезов. Лишившись в юности обеих ног ниже колена, он испытывает свои разработки на самом себе. Легкость, с которой он бежит вверх по лестнице, и уверенность, которую он излучает, дают повод надеяться, что выражение «человек с ограниченными возможностями» с течением времени останется в прошлом.