Искусственное зрение — следующий шаг в развитии мозговых имплантов?

В мозгу Брайана Бассарда расположено 25 крошечных чипов. Их установили в феврале 2022 года в рамках исследования, в котором тестировалось беспроводное устройство, помогающее вернуть зрение слепым людям. Бассард стал первым участником.

56-летний Бассард перестал видеть левым глазом из-за отслоения сетчатки, когда ему было 17 лет. В 2016 году то же самое произошло и с правым глазом, в результате чего он полностью ослеп. Он точно помнит момент, когда это произошло. «Это было самое тяжелое событие, с которым я когда-либо сталкивался», — говорит он. В конце концов он смог приспособиться.

В 2021 году Бассард узнал, что в Технологическом институте Иллинойса в Чикаго проводится исследование зрительного протеза. Его предупредили: устройство экспериментальное и не восстановит зрение до прежнего уровня. Тем не менее Бассард был достаточно заинтригован и согласился на имплантацию.

Благодаря чипам у Бассарда теперь есть очень ограниченное искусственное зрение, которое он описывает как «вспышки на экране радара». С помощью имплантата он может воспринимать людей и предметы в виде белых и переливающихся точек.

Бассард — один из немногих слепых людей в мире, кто решился сделать операцию на головном мозге, чтобы установить зрительный протез. В Испании ученые из Университета Мигеля Эрнандеса имплантировали подобную систему четырем пациентам. Таким испытаниям предшествуют многолетние исследования.

Читайте по теме:

Neuralink показала, как пациент с имплантом в мозге играет в шахматы «силой мысли»

Ученые-генетики восстановили зрение полностью ослепшему человеку

Компании также проявляют интерес к этому направлению. Cortigent из Калифорнии разрабатывает мозговой имплант Orion, который установили шести добровольцам. Над подобным устройством работает и Neuralink Илона Маска. В марте в своей соцсети X Маск сообщил, что устройство под названием Blindsight «уже работает на обезьянах». «Поначалу разрешение будет низким, как в ранней графике Nintendo, но в конечном итоге может превзойти обычное человеческое зрение», — добавил он.

Последний прогноз маловероятен, так как зрение — крайне сложный процесс. Чтобы улучшить качество картинки, доступной с мозговым имплантом, нужно преодолеть огромные технические барьеры. Тем не менее даже с элементарным зрением слепые люди могут стать более независимыми в повседневной жизни.

«Речь не о возвращении биологического зрения, — рассказывает Филип Тройк, профессор биомедицинской инженерии Технологического института Иллинойса и руководитель исследования, в котором участвует Бассард. — Это исследование того, каким может быть искусственное зрение».

Как работает искусственное зрение?

Попадая в глаз, свет сначала проходит через роговицу и хрусталик, наружную и среднюю оболочки глаза. Когда свет достигает задней части — сетчатки — клетки, называемые фоторецепторами, преобразуют его в электрические сигналы. Эти электрические сигналы проходят через зрительный нерв в мозг, который интерпретирует их как изображения, которые мы видим.

Если сетчатка или зрительный нерв повреждены, глаза не могут связываться с мозгом. Это частая причина полной слепоты. Устройства, которые разрабатывают Тройк и Neuralink, полностью обходят глаз и зрительный нерв, отправляя информацию прямо в мозг. Благодаря этому они могут устранить любую причину слепоты, будь то заболевание глаз или травма.

Область мозга, которая обрабатывает информацию, получаемую от глаз, называется зрительной корой. Она расположена в задней части головы, и поэтому туда легко установить имплант. Чтобы поместить 25 чипов в мозг Бассарда, хирурги провели обычную краниотомию, удалив часть его черепа.

Чипы в мозгу Бассарда представляют собой миниатюрные стимуляторы, которые излучают слабый электрический ток. На одном чипе (его размер примерно равен карандашному ластику) расположено 16 крошечных электродов, каждый из которых тоньше человеческого волоса. Каждым электродом можно управлять по отдельности. Всего Бассарду имплантировали 400 электродов.

Камера, прикрепленная к очкам, фиксирует то, что окружает Бассарда. Эти изображения обрабатываются специальным ПО и переводятся в команды, которые передаются в сеть чипов, активируя отдельные электроды для стимуляции нейронов. Стимуляция вызывает зрительные ощущения, называемые фосфенами, которые выглядят как точки света — при этом на самом деле свет не достигает глаза.

Поскольку стимуляторы расположены в одной части зрительной коры, Бассард видит фосфены только в нижней левой части своего поля зрения. Однако этого достаточно, чтобы лучше ориентироваться в комнате и выполнять базовые задачи, например среди четырех разных предметов на столе выбрать тарелку.

Трудности при разработке искусственного зрения

Одна из основных проблем — улучшить качество изображений. «Чем больше электродов, тем больше фосфенов можно производить в теории и тем более сложные формы можно создавать искусственно», — объясняет Син Чен, доцент кафедры офтальмологии Питтсбургского университета.

В прошлом году Чен и ее коллеги опубликовали исследование созданного ими зрительного протеза с 1024 электродами. Они протестировали систему на обезьянах, и это позволило животным распознавать искусственно созданные буквы.

Чтобы восстановить зрение у людей, может понадобиться от нескольких сотен до тысяч электродов. По мнению Тройка, важно не столько количество электродов, сколько их расположение. Если распределить их по зрительной коре, можно расширить поле зрения и увеличить число пятен света. Однако для этого потребуется более инвазивная операция.

В рамках исследования Университета Мигеля Эрнандеса добровольцам имплантировали лишь одно устройство со 100 электродами. Тем не менее, согласно результатам, опубликованным в 2021 году, даже такая система позволила 60-летней женщине распознавать линии, формы и простые буквы. По словам нейробиолога Эдуардо Фернандеса, возглавлявшего исследование, с тех пор результаты удалось повторить еще на трех слепых добровольцах.

Он подчеркивает, что искусственное зрение «не означает снова начать видеть». Главная цель Фернандеса — позволить слепым людям более свободно передвигаться и ориентироваться в пространстве. В ходе одного теста мужчине со зрительным протезом, который ходил по беговой дорожке перед VR-экраном, удалось избежать столкновения с объектами. В будущем Фернандес хочет добавить больше электродов, чтобы увеличить количество фосфенов и получить более детальные изображения.

Сейчас его команда узнает многое благодаря первым четырем добровольцам. Зрительная кора у людей немного отличается, поэтому исследователям приходится экспериментировать с тем, как разместить электроды и с какой интенсивностью стимулировать нейроны. «Мы настраиваем стимуляцию для каждого добровольца», — утверждает Фернандес.

Читайте по теме:

Не только Neuralink: 4 конкурента Илона Маска в области нейроинтерфейсов

Этот имплант помог двум пациенткам, перенесшим инсульт, вновь двигать руками

Обеспечить оптимальную производительность имплантов — еще одна непростая задача. В ранних экспериментах по созданию искусственного зрения использовались большие электроды, размещаемые на поверхности мозга, которым для производства фосфенов требовался относительно сильный электрический ток.

Иногда стимуляция вызывала судороги, боль и повреждение тканей головного мозга. Чен говорит, что важно подобрать оптимальную силу тока, чтобы индуцировать образование фосфенов, избегая при этом нежелательных побочных эффектов.

Не менее трудно обеспечить долговечность мозговых имплантов. В исследованиях, проведенных в Питтсбурге и Испании, использовалось устройство под названием Utah Array — квадратная сетка из 100 крошечных кремниевых игл, на конце каждой из которых расположен электрод.

Utah Array служит от нескольких месяцев до пары лет, но может перестать работать, когда вокруг имплантата образуется рубцовая ткань, которая мешает ему улавливать сигналы от близлежащих нейронов. Импланты, которые использовала команда Технологического института Иллинойса, выглядят как головки миниатюрных расчесок и изготовлены из оксида иридия, разновидности металла.

Neuralink и другие разрабатывают устройства с более гибкими электродами меньшего размера, которые проникают в мозг. Например, устройство Neuralink имеет форму монеты и располагается в черепе, а его тонкие нитевидные электроды уходят в ткань мозга. По словам Чен, более мягкие электроды могут продлить срок службы импланта, но пока неизвестно, как долго эти альтернативы будут работать.

Еще один вопрос, остающийся без ответа: влияет ли на работу устройства то, как давно человек потерял способность видеть. Первый участник испанского исследования был слепым в течение 16 лет, но все же мог видеть грубые формы. Бассард был полностью слепым в течение шести лет.

«Нам известно, что после многих лет слепоты зрительная система начинает деградировать, — говорит Чен. — Возможно, чем раньше удастся принять меры, тем лучше, хотя это еще предстоит систематически изучать и доказывать».

На мероприятии в ноябре 2022 года Маск выразил надежду, что сможет восстановить зрение даже у человека, рожденного слепым. Фернандес в этом не уверен, но отмечает, что такая попытка никогда не предпринималась. Он говорит, что в теории у человека должна функционировать зрительная кора. Однако люди, рожденные слепыми, никогда не использовали эту часть мозга, чтобы обрабатывать визуальную информацию.

Сейчас Бассард использует зрительный протез только в лаборатории, где исследователи могут контролировать стимуляцию. Тройк и его коллеги работают над мобильной системой, чтобы будущие участники исследования могли применять устройство дома.

Тройк ищет дополнительных добровольцев, которые потеряли зрение во взрослом возрасте, но видели нормально или почти нормально в течение как минимум первых 10 лет жизни. В рамках испанского исследования участникам имплантируют зрительный протез только на шесть месяцев, после чего его удаляют.

Бассард утверждает, что хотел бы использовать устройство и за пределами лаборатории. У него есть глухая и частично слепая собака, и он шутит, что с протезом было бы намного легче находить ее. Но он понимает, что в течение его жизни устройство, возможно, не принесет ему особой пользы. «Я делаю это не совсем для себя, — говорит он о своем участии в исследовании. — Я делаю это для будущих поколений».

Источник.

Фото на обложке: Tero Vesalainen / Shutterstock