Билл Кочевар, испытания нейропротеза
Нейропротезы представляют собой устройства, которые помогают людям с двигательными или сенсорными нарушениями восстановить контроль над своими чувствами и движениями, создавая искусственную связь между мозгом и компьютером. Другими словами, эта технология позволяет людям двигаться, слышать, видеть и трогать, используя только силу мысли. Как работают нейропротезы? Мы рассмотрим пять главных достижений в этой области, чтобы увидеть, как далеко мы продвинулись - и как далеко мы можем продвинуться - используя только силу нашего разума.
Используя электроды, компьютер и силу мысли, нейропротезы могут помочь пациентам с двигательными или сенсорными нарушениями двигаться, чувствовать, слышать и видеть.
Каждый год сотни тысяч людей во всем мире утрачивают контроль над своими конечностями в результате травмы спинного мозга. Почти половина из них не способна шевелить ни рукой, ни ногой. Для этих людей нейропротезы могут предложить столь необходимую надежду.
Нейропротезы обычно включают в себя электроды - размещенные на человеческом черепе, на поверхности мозга или в тканях мозга - которые контролируют и измеряют активность мозга, которая возникает, когда мозг «думает» мысль. Снятые результаты «переводятся» в код или алгоритм, который «подается» в компьютер. Компьютер, в свою очередь, преобразует код в команды, производящие движение.
Нейропротезирование служит не только людям, которые не могут двигать руками и ногами; нейропротезы также могут помочь людям с сенсорными нарушениями. По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), примерно 360 миллионов человек по всему миру имеют инвалидизирующую форму потери слуха, а еще 39 миллионов человек являются слепыми.
У некоторых из этих людей нейропротезы, такие как кохлеарные имплантаты и бионические глаза, вернули им слух и зрение, а в некоторых случаях они позволили им впервые услышать или увидеть.
В журнале Медикал мы рассмотрим пять наиболее значительных разработок в области нейропротезных технологий, рассмотрим, как они работают, почему они полезны и как некоторые из них будут развиваться в будущем.
Ушной имплантат
Вероятно, самое старое нейропротезное устройство, кохлеарные имплантаты (или ушные имплантаты) существуют уже несколько десятилетий и являются воплощением успешных нейропротезов.
Сейчас во всем мире более 320 000 человек имеют такое имплантированное устройство.
Кохлеарный имплантат работает, обходя поврежденные части уха и стимулируя слуховой нерв сигналами, полученными с помощью электродов. Сигналы, передаваемые через слуховой нерв в мозг, воспринимаются как звуки, хотя слух через имплантат уха сильно отличается от обычного слуха. Хотя кохлеарные имплантаты несовершенны, они позволяют пользователям различать речь лично или по телефону.
Глазной имплантат
Первая искусственная сетчатка - названная Аргусом II - сделана полностью из электродов, имплантированных в глаз, и была одобрена FDA в феврале 2013 года. Во многом так же, как и кохлеарный имплантат, этот нейропротез обходит поврежденную часть сетчатки и передает сигналы, захваченные прикрепленной камерой, к мозгу.
Это делается путем преобразования изображений в светлые и темные пиксели, которые превращаются в электрические сигналы. Затем электрические сигналы отправляются на электроды, которые, в свою очередь, отправляют сигнал в зрительный нерв мозга.
Хотя Аргус II не полностью восстанавливает зрение, он позволяет пациентам с пигментным ретинитом - состоянием, которое повреждает фоторецепторы глаза - различать контуры и формы, которые, как сообщают многие пациенты, существенно влияют на их жизнь.
Пигментный ретинит является нейродегенеративным заболеванием. С момента его одобрения более 200 пациентов с пигментным ретинитом имеют имплантат Аргус II, и компания , разработавшая его, в настоящее время работает над тем, чтобы сделать возможным обнаружение цвета, а также улучшить разрешение устройства.
Нейропротезирование для обездвиженных людей после инсульта и травм
Буквально пару лет назад в США был проведен новаторский эксперимент с пациентом, который позволил человеку с квадриплегией двигать руками, используя силу своих мыслей.
У Билла Кочевара были хирургически вмонтированы электроды в его мозг. После «тренировки» компьютера для «изучения» мозговой активности, которая соответствовала движениям, о которых думал пациент, эта активность превращалась в электрические импульсы, которые затем передавались обратно на электроды в его мозге.
С помощью этого нейропротеза пациент смог успешно поить и кормить себя. «Это было потрясающе, - говорит Кочевар, - потому что я думал о том, чтобы пошевелить рукой, и это произошло». Кочевар был первым пациентом в мире, протестировавшим нейропротезное устройство, которое в настоящее время доступно только для исследовательских целей.
Однако, на этом ученые не остановились. Courtine Lab - которую возглавляет нейробиолог Грегуар Куртин в Лозанне, Швейцария - неустанно работает, чтобы помочь пострадавшим людям, чтобы восстановить контроль над своими ногами. Их исследовательская работа с крысами позволила парализованным грызунам ходить, что достигается с помощью электрических сигналов и стимулирования их нервов в спинном мозге.
«Мы считаем, что однажды эта технология могла бы значительно улучшить качество жизни людей, сталкивающихся с неврологическими расстройствами», - говорит Сильвестро Мицера, соавтор эксперимента и нейроинженер в Courtine Labs. Протез так же был опробирован на приматах. Тем не менее, может пройти несколько лет, прежде чем все компоненты этого вмешательства могут быть проверены на людях.
Рука, которая чувствует
Сильвестро Мицера также руководил другими проектами по нейропротезированию, среди которых рука, которая «чувствует». В 2014 году создана первая искусственная рука, снабженная чувствительностью с помощью датчиков.
Исследователи измерили напряжение в сухожилиях искусственной руки, которые контролируют хватательные движения, и превратили его в электрический ток. В свою очередь, используя алгоритм, данные переводились в импульсы, которые затем посылались в нервы на руке, создавая чувство осязания.
С тех пор протез, который "чувствует", был улучшен еще больше. Исследователи из Университета Питтсбурга и Медицинского центра Университета Питтсбурга, оба в Пенсильвании, проверили протез на одном пациенте с квадриплегией: Натан Коупленд.
Ученые вживили оболочку из микроэлектродов под поверхность мозга Копеланда, а именно в его первичную соматосенсорную кору, и подключили их к протезу, который был снабжен датчиками. Это позволило пациенту почувствовать осязание, которое ощущалось для него, как будто пальцы принадлежали его собственной парализованной руке.
В то время как с завязанными глазами, Коупленд был в состоянии определить, какой палец на его протезной руке был затронут. Ощущения, которые он ощущал, различались по интенсивности и ощущались как разное давление.
Нейропротезирование для нейронов
Мы видели, что управляемое мозгом протезирование может восстановить у пациентов чувство осязания, слуха, зрения и движения, но можем ли мы создать протезирование для самого мозга?
Исследователям из Австралийского национального университета в Канберре удалось искусственно выращивать клетки мозга и создавать функциональные мозговые цепи, прокладывая путь для нейропротезирования мозга.
Применяя геометрию нанопроволоки к полупроводниковой пластине, доктор Вини Гаутам и его коллеги придумали "строительные леса", которые позволяют клеткам мозга расти и соединяться синаптически.
Руководитель проектной группы доктор Винсент Дарья из Школы медицинских исследований имени Джона Кертина в Австралии объясняет успех своих исследований:
«Мы смогли установить прогностические связи между нейронами и продемонстрировали их работоспособность при синхронном срабатывании нейронов. Эта работа может открыть новую исследовательскую модель, которая создает более прочную связь между нанотехнологиями материалов и нейронаукой».
Нейропротезирование мозга может однажды помочь пациентам, перенесшим инсульт или живущим с нейродегенеративными заболеваниями, выздороветь неврологически.
