Огромнейший Longread о работе нейроинтерфейсов в наши дни

- Alli! - восклицает Бернардета Гомес на своем родном испанском языке, указывая на большую черную линию, что пересекает белый лист, расположенный на расстоянии вытянутой руки от нее. - Здесь!

Не особо впечатляющий подвиг для 57-летней женщины, за исключением одного факта - Гомес слепа. Более десяти лет назад, когда ей было 42 года, токсическая оптическая нейропатия разрушила пучки нервов, соединяющих глаза Гомес с мозгом, в результате чего она полностью лишилась зрения. Она не видит даже свет.

После 16 лет темноты Гомес был предоставлен шестимесячный шанс, в течение которого она могла видеть некое подобие мира в очень низком разрешении, представленное светящимися бело-желтыми точками и очертаниями. Это стало возможным благодаря модифицированным очкам, оснащенными крошечной камерой. Устройство подключено к компьютеру, который обрабатывает видео в реальном времени, превращая его в электронные сигналы. Кабель, подвешенный к потолку, связывает систему с портом, встроенным в заднюю часть черепа Гомес, который подключен к 100-электродному имплантату в зрительной коре в задней части ее мозга.

Используя это устройство, Гомес могла разглядеть потолочные светильники, буквы, фигуры, нарисованные на бумаге, и людей. Она даже играла в простую компьютерную игру, похожую на Pac-Man, которая транслировалась прямо в ее мозг (прим. перев.: для человека, интересующегося нейроинтерфейсами с точки зрения развлечений, это ключевой момент, ради которого я и взялась переводить статью). Четыре дня в неделю на протяжении всего эксперимента Гомес приводил в лабораторию ее зрячий муж, где ее подключали к системе.

Прозрение Гомес в конце 2018 года стало кульминацией десятилетних исследований Эдуардо Фернандеса, директора по нейроинженерии в Университете Мигеля Эрнандеса в Эльче, Испания. Главная цель его долгих работ - вернуть зрение слепым людям, число которых достигает 36 миллионов во всем мире. Подход Фернандеса особенно интересен тем, что он обходит глаз и зрительные нервы.

Более ранние исследования пытались восстановить зрение путем создания искусственного глаза или сетчатки. Этот метод работал, однако у подавляющего большинства слепых людей, таких как Гомес, повреждена нервная система, соединяющая сетчатку с задней частью мозга. Искусственный глаз не решал их проблему. Поэтому в 2015 году компания Second Sight, получившая разрешение продавать в Европе в 2011 году и в США в 2013 искусственную сетчатку для лечения редкого заболевания, называемого пигментным ретинитом, переключилась с создания искусственной сетчатки, чем занималась двадцать лет, на разработку искусственного зрительного нерва (Second Sight сообщают, что их имплантаты сетчатки Argus II используют более 350 человек).

Во время моего недавнего визита в усыпанной пальмами Эльче Фернандес сказал мне, что успехи в технологии имплантов и более глубокое понимание зрительной системы человека вселили в него уверенность, и он сразу сосредоточил все свое внимание на возможности подключения к мозгу. «Информация в нервной системе - это та же информация, что и в электронном устройстве», - добавил он. Восстановление зрения путем подачи сигналов прямо в мозг - амбициозная задача. Основные принципы уже использовались в электронных имплантатах в традиционной медицине на протяжении десятилетий. «Прямо сейчас, - объясняет Фернандес, - у нас есть много электронных устройств, взаимодействующих с человеческим телом. Один из них - кардиостимулятор. А для сенсорной системы у нас есть кохлеарный имплант».

Это устройство является слуховой версией протеза, созданного Фернандесом для Гомес, состоит из внешнего микрофона и системы обработки, которая передает цифровой сигнал на имплант во внутреннем ухе. Электроды импланта посылают импульсы тока в близлежащие нервы, которые мозг интерпретирует как звук. Кохлеарный имплант был впервые установлен пациенту в 1961 году и до сих пор позволяет более полумиллиону человек по всему миру разговаривать и вести полноценный образ жизни.

«Берна была нашим первым пациентом, но в течение следующих двух лет мы установим имплантаты еще пяти слепым людям», - сообщает Фернандес, называя Гомес сокращенным именем. «Мы проводили аналогичные эксперименты на животных, но кошка или обезьяна не могут объяснить, что они видят». А Берна может. Ее эксперимент потребовал смелости. Для установки имплантата была необходима операция на головном мозге здорового человека, что всегда является рискованной процедурой. Более того, нужна была вторая операция для удаления импланта через полгода, поскольку протез не предназначен для длительного использования.

Судороги и фосфены

Я слышу Гомес прежде, чем вижу ее. Ее голос звучит на десять лет моложе ее реального возраста. Она тянет слова размеренно, ритм идеально ровный, а тон теплый и уверенный. Когда я, наконец, встречаю ее в лаборатории, я замечаю, что Гомес настолько хорошо знает планировку помещения, что ей почти не нужна помощь в перемещении по маленькому коридору и прилегающим к нему комнатам. Когда я подошел поприветствовать ее, Гомес смотрела не в том направлении, пока я не поздоровался. Я протянул руку для рукопожатия, и мужу пришлось направить ее руку в ответ.

Гомес пришла на МРТ головного мозга, чтобы проверить, как обстоят дела спустя полгода после удаления импланта (все выглядит хорошо). Она также пришла встретить второго потенциального пациента, который тоже находился в палате. В какой-то момент, когда Фернандес объясняет, как оборудование соединяется с черепом, Гомес прерывает обсуждение, наклоняется вперед и кладет руку будущего клиента на затылок, где раньше был металлический разъем. Сегодня практически не осталось следов порта. По ее словам, операция по имплантации прошла без осложнений, уже на следующий день она пришла в лабораторию, чтобы подключиться и начать эксперименты. С тех пор у нее не было проблем или боли.

Гомес повезло. Долгая история экспериментов, приведших к ее успешному импланту, имеет неоднозначное прошлое. В 1929 году немецкий невролог Отфрид Ферстер обнаружил, что он может вызвать появление белой точки в поле зрения пациента, если он воткнет электрод в зрительную кору головного мозга во время операции. Он назвал это явление фосфеном. С тех пор ученые и авторы научной фантастики представили себе потенциал визуального протеза, соединяющего камеру с компьютером и мозгом. Некоторые исследователи даже построили элементарные системы.

В начале 2000-х гипотеза стала реальностью, когда эксцентричный биомедицинский исследователь по имени Уильям Добелль установил такой протез в голове пациента в качестве эксперимента. В 2002 году писатель Стивен Котлер с ужасом вспоминал, как Добелль включил электричество и пациент упал на пол, корчась в припадке. Причина заключалась в слишком мощной стимуляции из-за сильного тока. Также у пациентов Добелля были проблемы с инфицированием. Тем не менее, Добелль продвигал свое громоздкое устройство как почти готовое к повседневному использованию вместе с рекламным роликом, в котором слепой медленно и неуверенно едет по закрытой парковке. Добелль умер в 2004 году вместе с его разработкой.

В отличие от Добелля, который провозгласил лекарство для слепых, Фернандес постоянно напоминает, что он не хочет «вселять никаких надежд». Он надеется, что у людей будет система, которую можно использовать, но сейчас они «просто проводят эксперименты на ранней стадии ».

Тем не менее Гомес действительно видела.

«Ложе из гвоздей»

Если основная идея, лежащая в основе зрения Гомес (подключить камеру к видеокабелю, ведущему в мозг), в своей концепции проста, то создание такого устройство отнюдь. Первая проблема, с которой столкнулись Фернандес и его команда, была в камере. Какой сигнал выдает сетчатка человека? Чтобы ответить на этот вопрос, Фернандес брал сетчатку недавно умерших людей, прикреплял ее к электродам, подвергая их воздействию света, и измерял то, что попадает на электроды. (Его лаборатория связана с местной больницей, которая может позвонить среди ночи, когда умирает донор органов. Человеческая сетчатка живет всего семь часов после смерти человека). Команда Фернандеса также использует машинное обучение для соответствия электрическим выводам сетчатки глаза, что помогает им писать программное обеспечение, автоматически имитирующее этот процесс.

Следующий шаг - взять этот сигнал и передать его в мозг. В протезе, созданном Фернандесом для Гомес, кабельное соединение ведет к обычному нейроимпланту, известному как «матрица Юты», который чуть меньше выступа на положительном конце батарейки AAA. Из импланта выступают 100 крошечных шипов-электродов, каждый около миллиметра высотой, вместе они выглядят как миниатюрное ложе из гвоздей. Каждый электрод может подавать ток на от одного до четырех нейронов. Когда имплант установлен, электроды прокалывают поверхность мозга; при его удалении в отверстиях образуется 100 крошечных капелек крови.

Фернандесу приходилось калибровать один электрод за раз, посылая на него все более и более сильные токи, пока Гомес не начинала видеть фосфен. На калибровку всех 100 электродов ушло больше месяца. «Преимущество нашего подхода заключается в том, что электроды массива внедряются в мозг и располагаются близко к нейронам», - делится Фернандес. Это позволяет импланту передавать зрительный сигнал с гораздо меньшим электрическим током, чем это было необходимо в системе Добелля, что во много раз снижает риск судорог.

Большой недостаток протеза - и основная причина, по которой Гомес не могла использовать свой более шести месяцев - заключается в том, что никто не знает, как долго электроды могут прослужить, не повредив ни имплант, ни мозг. «Иммунная система организма начинает разрушать электроды и окружает их рубцовой тканью, что в конечном итоге ослабляет сигнал», - объясняет Фернандес. Другая проблема - сгибание электродов при движении. Исследованиям на животных и изучения массива, который использовала Гомес, показали, что нынешняя установка может прослужить от двух до трех лет, а возможно и до 10, прежде чем выйдет из строя. Фернандес надеется, что несколько незначительных изменений продлят это время до нескольких десятилетий, что является критическим условием для медицинского оборудования, требующей инвазивной хирургии мозга.

Идеальный вариант представляет собой протез, как кохлеарный имплант, который должен передавать свой сигнал и энергию по беспроводной сети через череп, чтобы достичь электродов. Но пока команда оставила протез проводным для экспериментов, что обеспечивает максимальную гибкость, позволяющую постоянно обновлять оборудование, прежде чем остановиться на определенной конструкции.

При разрешении 10 на 10 пикселей, что соответствует максимальному потенциальному разрешению, которое может воспроизвести имплант Гомес, человек может воспринимать основные формы, такие как буквы, дверной проем или тротуар. Но контуры лица, не говоря уже о человеке, намного сложнее. Вот почему Фернандес дополнил свою систему программным обеспечением для распознавания изображений, чтобы идентифицировать человека в комнате и направить в мозг Гомес паттерн из фосфенов, который она научилась распознавать.

На слайде размером 25 на 25 пикселей Фернандес пишет: «Зрение возможно». Поскольку массив Юты в его нынешнем виде довольно мал и требует для работы мало энергии, Фернандес говорит, что нет никаких технических причин, по которым его команда не могла бы установить от четырех до шести на каждой стороне мозга, обеспечивая зрение с разрешением 60 x 60 пикселей или выше. Тем не менее, никто не знает, сколько информации человеческий мозг может принять от таких устройств, не будучи перегруженным и не испытывая эквивалент белого шума.

На что это похоже?

Гомес сказала мне, что она хотела бы оставить имплант, если бы у нее был выбор, и что она будет первой в очереди, если будет доступна обновленная версия. Когда Фернандес закончит изучение демонтированного импланта, Гомес планирует оформить его в рамку и повесить на стене своей гостиной.

В лаборатории Фернандес предложил мне подключиться к неинвазивному устройству, которое он использует для проверки пациентов. Сидя в том же кожаном кресле, которое Гомес занимала во время прошлогоднего революционного эксперимента, я жду, пока невролог держит палочку с двумя кольцами сбоку от моей головы. Устройство, называемое катушкой-бабочкой, подключенное к коробке, возбуждает нейроны мозга мощным электромагнитным импульсом. Такое явление называется транскраниальной магнитной стимуляцией. При первом же включении мне кажется, будто кто-то бьет меня током по голове. Мои пальцы непроизвольно сжимаются в ладонях. «Смотри, это сработало!» - смеется Фернандес. «Это была ваша моторная кора. Теперь мы попробуем показать вам немного фосфенов».

Невролог меняет положение палочки и настраивает аппарат на серию быстрых импульсов. На этот раз, когда он срабатывает, я чувствую сильный толчки «ззп-ззп-ззп», как если бы на затылке включался дверной звонок. Затем, несмотря на то, что мои глаза широко открыты, я что-то вижу: яркая горизонтальная линия вспыхивает в центре моего поля зрения вместе с двумя мерцающими треугольниками, заполненными чем-то вроде белого шума. Видение исчезает так же быстро, как и появилось, оставляя за собой короткое послесвечение.

«Это похоже на то, что могла видеть Берна», - говорит Фернандес. Вот только ее «видение» мира было стабильным, пока сигнал передавался в ее мозг. Она также могла повернуть голову и осмотреть комнату. То, что видел я, было просто внутренними фантомами электрически возбужденного мозга. Гомес действительно могла протянуть руку и коснуться мира, увиденного впервые за 16 лет.

Источник: www.technologyreview.com

Комментарии: