21 января 2022 года в Сочи, в НИИ медицинской приматологии, собралась огромная команда – ветеринары, нейрофизиолог, анестезиологи и опытный нейрохирург Артур Биктимиров, который более 16 лет делает сложнейшие операции на мозге людей. На операционном столе, накрытый простыней и с обритой головой лежал шестилетний самец павиана по кличке М-1.
Кроме врачей в операционной присутствовал инженер-конструктор. Целью операции было установить в мозг животного специальную матрицу с электродами, часть созданного в России нейроимпланта для слепых ELVIS (сокращение от electronic vision).
Разработчики обещают, что уже через несколько лет, после опытов на животных и добровольцах, их изобретение позволит вернуть зрение незрячим людям.
ELVIS – продукт российской лаборатории «Сенсор-Тех». Она является резидентом «Сколково» и была создана по инициативе благотворительного фонда поддержки слепоглухих «Со-единение».
С помощью руководителя проекта ELVIS Дениса Кулешова, главного конструктора Александра Попова, руководителя медицинских проектов, врача-офтальмолога Андрея Демчинского и исполнительного директора фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» Натальи Соколовой разбираемся, как работает это изобретение.
На самом деле мы видим затылком
Чтобы понять, как ELVIS может помочь видеть пациентам, имеющим серьезные проблемы со зрением (вплоть до полного отсутствия глаз), нужно сначала разобраться в том, как устроено зрение.
Наверняка многие помнят картинки из школьных учебников физики и биологии: глаз, который работает по принципу линзы, пропуская свет, хрусталик, который преломляет свет и фокусирует его на сетчатке. Расположенные в сетчатке фоторецепторы поглощают фотоны света, происходят химические процессы, и в результате генерируется электрический сигнал. Дальше он идет по зрительным путям и направляется в мозг, в его затылочную долю.
Там сигнал превращается в изображение, оно распознается, и мы видим.
«Главное для зрения – это мозг, а глаза нужны, но все же не так необходимы. Другими словами, если не будет глаз, то мозг продолжит что-то видеть, а вот если не будет работать зрительная кора, то даже от идеальных глаз не будет никакой пользы», – объясняет руководитель медицинских проектов лаборатории «Сенсор-Тех» Андрей Демчинский.
А что если можно попробовать обойтись без глаз?
Стимулировать зрительные центры напрямую ученые начали давно. Считается, что первые опыты провел еще в начале XIX века чешский физиолог Ян (Иоганн) Пуркинье. Пропуская через свою голову электрический ток, он заметил, что таким образом можно вызвать у человека ощущение световой вспышки (похожее ощущение вы испытаете, если сильно потрете закрытые глаза пальцами или если ударитесь – те самые «искры из глаз»). Такие вспышки позже начали называть фосфенами. Запомните этот термин, мы к нему еще вернемся.
Параллельно развивались другие направления в области коррекции и восстановления зрения. Эксперименты по созданию имплантов, так или иначе связанных с областью глаза, шли с середины XX века. Так, в 1956 году австралийский ученый Грэхам Тассикер запатентовал имплант, который мог стимулировать с помощью электрических сигналов сетчатку глаза и таким образом вызывать зрительные образы.
По схожему принципу работают и современные «бионические глаза» – прикрепленные к сетчатке импланты получают обработанное изображение с внешней камеры, как правило, расположенной в очках пациента, и затем подают на нейроны электрический ток, который по нервным окончаниям направляется в мозг и там обрабатывается.
Но что делать тем, у кого по разным причинам атрофировалась сетчатка, не функционируют зрительные нервы или вовсе нет глаз? Им остается рассчитывать на прямую стимуляцию зрительных центров в затылочной части мозга. Звучит фантастически и даже страшно: неужели придется жить с проводами, торчащими из головы?
Проводок не толще волоса – прямо в мозг
Провода с электродами на конце действительно нужны, но для этого совсем не обязательно превращаться в человека-робота.
Создатели нейроимпланта ELVIS предлагают вживлять под кожу в районе затылка микрочип размером 3 на 6 сантиметров. Он достаточно тонкий, никаких шишек и возвышений чип не оставляет. У микрочипа есть антенна, которая позволяет ему получать электропитание беспроводным способом, а также еще более тонкий проводок, или, точнее, нечто вроде прозрачной ленты толщиной не больше человеческого волоса с матрицей из электродов на конце. Этот проводок через щель в черепе проникает непосредственно к мозгу.
«Мы аккуратно подводим его к зрительной зоне коры головного мозга, она расположена как раз на границе полушарий, – объясняет главный конструктор лаборатории «Сенсор-Тех» Александр Попов. – Наша лента такая тонкая и легкая, что, будучи смочена жидкостью, прилипает к чему угодно и держится сама, никаких дополнительных усилий прилагать не надо». Таким образом, электроды оказываются там, где им и надо быть, и готовы к стимуляции зрительной зоны токами малой силы.
Принципиально важным здесь является то, что внутри черепной коробки оказывается самая малая часть ELVIS, а все остальные его части вынесены наружу. Создатели позаботились о том, чтобы ничего не надо было менять, чинить или перезаряжать, как это бывает, например, с кардиостимуляторами, срок службы которых составляет в среднем семь лет. Питание электродов также осуществляется снаружи: с помощью антенны микрочипа, закрепленного под кожей головы, устройство получает питание беспроводным способом. Источником питания становится обруч с камерами, который пользователь носит на голове. Обруч при этом можно зарядить так же, как мы заряжаем смартфон – разъем и зарядка у него стандартные.
Еще одна составная часть ELVIS – мини-компьютер, который предполагается носить закрепленным на поясе. По мощности он напоминает смартфон и нужен для того, чтобы обрабатывать картинку, которую захватывают камеры на обруче, и передавать ее непосредственно на имплант в мозг. Он может выделять только важное – контуры предметов, а фон, наоборот, не передавать. Кроме того, с помощью нейросетей компьютер анализирует образы и может подсказывать пользователю, что именно находится перед ним, как голосовой помощник.
Зрение будет как примитивная графика в компьютерной игре
Пока пациент не носит обруч с камерами на голове и не включает мини-компьютер, электронное зрение ему недоступно. Ток на электроды подается по тому же принципу, по которому работает выключатель, снабженный датчиком движения: нейроимплант начинает работать, когда вся система в сборе и ей «показывают картинки».
Изображение, полученное камерой, поступает на компьютер, там отсекается все лишнее – образ должен быть максимально простым, без подробностей и мелких деталей. Затем информация поступает на имплант.
Имплант посредством электродов начинает стимулировать зрительный участок коры головного мозга. Это небольшой участок, примерно 2 на 2 сантиметра.
«В результате человек должен увидеть фосфены, зрительные вспышки, – поясняет руководитель медицинских проектов лаборатории «Сенсор-Тех» Андрей Демчинский. – Никто точно не скажет, как они выглядят – это могут быть кругляшки, нечто, похожее на амеб, или вспышки, подобные звездочкам. Из этих звездочек формируются образы».
Демчинский проводит аналогию с самыми первыми компьютерными играми, которые выходили на приставках типа Dandy в конце 80-х – начале 90-х годов, с грубой пиксельной графикой, примитивными образами, без цвета. Он говорит, что зрение, которое позволит вернуть нейроимплант ELVIS, будет чем-то напоминать использованные в этих играх образы: оно черное-белое, не объемное, не позволяет различать никаких деталей у предметов, его разрешение в текущей версии – всего 10 на 10 пикселей, и с помощью импланта пока что невозможно читать мелкий текст, смотреть телевизор или пользоваться смартфоном. Тем не менее есть высокие шансы до начала клинических испытаний создать имплант с большим разрешением.
«Это так называемое предметное зрение, его еще можно назвать контурным, потому что человек может видеть контур окна, двери, кружки, человека, но разглядеть лицо, например, уже не получится», – комментирует Андрей Демчинский. Он обещает, что при удачном стечении обстоятельств пациенты даже смогут видеть крупные буквы высотой около 5–10 сантиметров – таковы, например, буквы Ш и Б на верхней строчке таблицы для проверки зрения у офтальмолога. Полноценного чтения пока не получится, поскольку складывать слова придется по одной букве, что, конечно, займет много времени. Однако сейчас ведется работа над тем, чтобы несколько иначе подавать текстовую информацию и человек смог именно читать.
При этом в понятные мозгу картины фосфены сложатся далеко не сразу, сначала вспышки приходят хаотично и скорее напоминают калейдоскоп или разрезанную на части головоломку. Поэтому после установки нейроимпланта понадобится время на реабилитацию и тренировки, чтобы мозг привык к новому способу получения информации, научился ее обрабатывать, «читать» образы, замечать общие закономерности и понимать, например, что стул – это стул.
Реабилитация может продолжаться до года, но ее можно значительно ускорить, если тренироваться самому – в этом должны помочь специальные программы, заложенные в компьютер, который прилагается к нейроимпланту. Он показывает пациенту однотипные картинки, начиная с самых простых – геометрических фигур, и мозг постепенно обучается складывать их воедино, запоминать и узнавать в следующий раз быстрее и эффективнее. Поскольку мозг пластичен, со временем он построит новые нейронные связи, и процесс пойдет быстрее.
Обезьянка с имплантом дала обратную связь
С нейроимплантом есть и очевидная проблема: не начнется ли отторжение? Известно, что организм старается избавиться от всего чужеродного, а если не удается – окружает его дополнительной тканью, строя капсулы и уплотнения, защищая таким образом себя от воздействия. Даже при том, что создатели ELVIS использовали в работе новейшие биосовместимые материалы и смогли рассчитать силу воздействия электрическим током таким образом, чтобы не повредить ткань, прежде чем ставить имплант людям, необходимы испытания на животных. Вот почему с 2019 года технология проходит этап доклинических испытаний – на грызунах и теперь на обезьянах.
«Мы считаем эту первую обезьянку первопроходцем, космонавтом, которого мы запускаем в неизвестность», – говорит Андрей Демчинский. После животного по кличке М-1 будут прооперированы еще десяток обезьян, и у каждой будет своя задача. На М-1 будут оценивать биосовместимость всех материалов нейроимпланта, отслеживать реакции его организма, смотреть, что будет с устройством, которое вживили животному.
Во время операции павиану сделали трепанацию черепа на затылке и через отверстие диаметром около 3 сантиметров (у человека отверстие будет чуть больше) поставили матрицу с электродами в зрительную кору головного мозга, а микрочип с антенной вывели под кожу. После сделали проверку: животному в глаза дали световой импульс, а затем отследили ответ, который пришел от вживленной в мозг матрицы из электродов. Это необходимо сделать, чтобы убедиться, что электроды легли четко в нужную зону и задействуют именно зрительное поле. В будущем такую же пробу будут делать и при операциях людям. Когда успех был подтвержден, отверстие в черепе М-1 закрыли.
С тех пор обезьяна находится под постоянным контролем специалистов. У павиана регулярно берут кровь, измеряют ему температуру, чтобы отследить возможное воспаление, следят за его режимом дня и аппетитом. Поначалу М-1 выражал беспокойство, но затем привык, и, когда швы зажили, вернулся к обычному образу жизни.
Для того чтобы отследить результаты эксперимента, понадобится минимум три месяца, но в идеале имплант должен простоять в организме животного год, после чего создатели ELVIS оценят результат – что стало и с самим имплантом, и мозгом .
За это время в НИИ Медицинской приматологии к операции подготовят еще около десятка обезьян. Перед операцией обезьян будут готовить к специальным поведенческим экспериментам. Например, кого-то обучат запоминать геометрические фигуры. Затем, после установки импланта, животное снова должно будет найти эти фигуры, но уже с помощью одного лишь электронного зрения. Ослеплять обезьянок не будут – в ходе эксперимента им просто завяжут глаза.
Сейчас конструкторы ELVIS заняты работой над созданием обручей с камерами, которые подойдут под обезьянью анатомию и будут крепиться на ремнях, чтобы животные их не снимали в ходе экспериментов.
Испытания на приматах продлятся до 2024 года. Если они пройдут так же успешно, как операция М-1, можно будет переходить к испытаниям нейроимпланта ELVIS на людях – незрячих добровольцах.
Для испытаний ищут слепых со зрительным опытом
Отбор добровольцев уже идет. Желающие принять участие в клинических испытаниях нейроимпланта ELVIS могут оставить заявку на сайте. Приоритет поначалу будет отдан кандидатам, имевшим зрительный опыт, но потерявшим зрение, которые при этом не страдают от других заболеваний, особенно заболеваний мозга, ментально здоровы.
«Мы будем сначала иметь дело с людьми, которые имели зрительный опыт, потому что с ними проще проводить реабилитацию», – объясняет исполнительный директор фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» Наталья Соколова, который является инициатором этой разработки. Соколова уточняет, что после того, как этап клинических испытаний будет пройден и будут наработаны методики реабилитации пациентов после установки импланта, операции можно будет проводить и людям, которые лишены зрения от рождения, и слепоглухим пациентам, чтобы восстановить хотя бы один из возможных каналов связи.
Разработчики и представители фонда надеются, что оплачивать операцию по установке ELVIS будет государство, как это уже происходит в сфере кохлеарных имплантов. Во всяком случае, переговоры на этот счет с Минздравом уже ведутся. Если клинические испытания пройдут успешно, в 2027 году операции можно будет поставить на поток.
В том, что у нейроимпланта ELVIS большой потенциал, уверен руководитель проекта Денис Кулешов. «Нейротехнологии сейчас в топе самых сложных и самых интересных научных и медицинских направлений, но в России в этом направлении почти ничего не происходит. Пока что мы единственные, кого отмечают зарубежные коллеги: например, в США есть ассоциация исследователей бионического зрения, которая каждый год публикует карту исследователей и компаний, которые в этой области делают значимые проекты. Последние четыре года мы на этой карте единственные, кто представляет Россию», – рассказывает Кулешов. Он убежден, что, если сама по себе технология стимуляции мозга окажется успешной, ее можно будет распространить и на лечение других заболеваний, точечно воздействуя на различные зоны мозга, – например, при болезни Паркинсона, реабилитации после инсульта, двигательных нарушениях.
Что касается работы в области восстановления зрения, то ученые уверены, что в ближайшем будущем удастся добиться больших успехов. Да, многое еще не изучено: не известно, какие именно зоны мозга отвечают за цвет, не ясно, как сделать картинку объемной и увеличить разрешение. Но если привести аналогию с графикой компьютерных игр, можно подумать вот о чем: всего за каких-то 30 лет мы сделали шаг от грубых пиксельных изображений до HD-качества. Значит, надежда на то, что с человеческим зрением удастся то же самое, остается.
Иллюстрации Оксаны Романовой
