Jauns implants neredzīgiem cilvēkiem tiek ievietots tieši smadzenēs

Neironu darbības potenciāls Russ Juskalians

Allí, saka Bernardeta Gomesa savā dzimtajā spāņu valodā, norādot uz lielu melnu līniju, kas iet pāri baltai kartona loksnei, kas nospiesta viņas priekšā rokas stiepiena attālumā. Tur .

Tas nav gluži iespaidīgs varoņdarbs 57 gadus vecai sievietei, izņemot to, ka Gomesa ir akla. Un tā viņa ir bijusi vairāk nekā desmit gadus. Kad viņai bija 42 gadi, toksiskā optiskā neiropātija iznīcināja nervu kūļus, kas savieno Gomesas acis ar viņas smadzenēm, padarot viņu pilnīgi bez redzes. Viņa pat nespēj noteikt gaismu.

Taču pēc 16 tumsas gadiem Gómezai tika dots sešu mēnešu logs, kura laikā viņa varēja redzēt ļoti zemas izšķirtspējas pasaules izskatu, ko attēlo kvēlojoši balti dzelteni punktiņi un formas. Tas bija iespējams, pateicoties modificētiem brillēm, kas bija aptumšotas un aprīkotas ar nelielu kameru. Ierīce ir savienota ar datoru, kas apstrādā tiešraides video plūsmu, pārvēršot to elektroniskos signālos. No griestiem piekārtais kabelis savieno sistēmu ar pieslēgvietu, kas ir iestrādāta Gomesas galvaskausa aizmugurē un ir savienota ar 100 elektrodu implantu redzes garozā viņas smadzeņu aizmugurē.

Bernardeta Gomesa valkā brilles ar kamerām. Diemžēl viņai vairs nav smadzeņu implanta, kas joprojām ir pagaidu ierīce. Russ Juskalians

Izmantojot to, Gómez identificēja griestu lampas, burtus, uz papīra izdrukātas pamata formas un cilvēkus. Viņa pat spēlēja vienkāršu Pac-Man līdzīgu datorspēli, kas tika ievadīta tieši viņas smadzenēs. Eksperimenta laikā četras dienas nedēļā viņas redzīgais vīrs Gómezu veda uz laboratoriju un pievienoja sistēmai.

Gomesa pirmais redzes mirklis 2018. gada beigās bija Migela Ernandesa universitātes neiroinženierzinātņu direktora Eduardo Fernandesa gadu desmitiem ilgā pētījuma kulminācija Elčē, Spānijā. Viņa mērķis: atgriezt redzi pēc iespējas lielākam skaitam no 36 miljoniem neredzīgo cilvēku visā pasaulē, kuri vēlas atkal redzēt. Fernandesa pieeja ir īpaši aizraujoša, jo tā apiet aci un redzes nervus.

Daudz agrākos pētījumos tika mēģināts atjaunot redzi, izveidojot mākslīgo aci vai tīkleni. Tas darbojās, taču lielākajai daļai aklu cilvēku, piemēram, Gómezam, ir bojājumi nervu sistēmai, kas savieno tīkleni ar smadzeņu aizmuguri. Mākslīgā acs neatrisinās viņu aklumu. Tāpēc 2015. gadā uzņēmums Second Sight, kas 2011. gadā saņēma atļauju pārdot mākslīgo tīkleni Eiropā 2011. gadā un 2013. gadā ASV attiecībā uz retu slimību, ko sauc par pigmentozo retinītu, divas desmitgades ilgušo darbu pārcēla no tīklenes uz garozu. . (Second Sight saka, ka nedaudz vairāk nekā 350 cilvēku izmanto tā Argus II tīklenes implantu.)

Nesenā vizītē, ko apmeklēju plaukstām klātajā Elče, Fernandess man stāstīja, ka implantu tehnoloģijas sasniegumi un izsmalcinātāka izpratne par cilvēka vizuālo sistēmu ir devusi viņam pārliecību doties tieši uz smadzenēm. Viņš saka, ka informācija nervu sistēmā ir tāda pati kā elektriskā ierīcē

Redzes atjaunošana, padodot signālus tieši smadzenēm, ir ambicioza. Bet pamatprincipi ir izmantoti cilvēka elektroniskajos implantos galvenajā medicīnā gadu desmitiem. Šobrīd Fernandess skaidro, ka mums ir daudzas elektriskās ierīces, kas mijiedarbojas ar cilvēka ķermeni. Viens no tiem ir elektrokardiostimulators. Un sensorajā sistēmā mums ir kohleārais implants.

Eduardo Fernandess Russ Juskalians

Šī pēdējā ierīce ir Fernandez protēzes dzirdes versija, kas izstrādāta Gómez: ārējais mikrofons un apstrādes sistēma, kas pārraida digitālo signālu uz implantu iekšējā ausī. Implanta elektrodi sūta strāvas impulsus blakus esošajos nervos, ko smadzenes interpretē kā skaņu. Kohleārais implants, kas pirmo reizi tika uzstādīts pacientam 1961. gadā, ļauj vairāk nekā pusmiljonam cilvēku visā pasaulē sarunāties kā parastā ikdienas dzīves sastāvdaļa.

Berna bija mūsu pirmā paciente, bet nākamo pāris gadu laikā mēs uzstādīsim implantus vēl pieciem neredzīgiem cilvēkiem, stāsta Fernandesa, kura Gómezu sauc savā vārdā. Mēs bijām veikuši līdzīgus eksperimentus ar dzīvniekiem, bet kaķis vai pērtiķis nevar izskaidrot, ko tas redz.

Berna varētu.

Viņas eksperiments prasīja drosmi. Lai uzstādītu implantu, bija nepieciešama smadzeņu operācija citādi veselam ķermenim, kas vienmēr bija riskanta procedūra. Un pēc sešiem mēnešiem atkal to noņemt, jo protēze nav apstiprināta ilgstošai lietošanai.

Krampji un fosfēni

Es dzirdu Gomezu, pirms viņu redzu. Viņas ir sievietes balss, kas ir aptuveni desmit gadus jaunāka par savu vecumu. Viņas vārdi ir mēreni, ritms ir ideāli gluds, un viņas tonis ir silts, pārliecināts un vienmērīgs.

Kad beidzot ieraugu viņu laboratorijā, pamanu, ka Gomesa tik labi pārzina telpas izkārtojumu, viņai tik tikko vajadzīga palīdzība, lai pārvietotos pa mazo gaiteni un tam pievienotajām telpām. Kad es eju klāt, lai viņu sasveicinātu, Gomesas seja sākotnēji rāda nepareizā virzienā, līdz es sasveicinos. Kad es sniedzu roku, lai paspiestu viņas roku, viņas vīrs ievirza viņas roku manējā.

Gómeza ir šeit, lai veiktu smadzeņu MRI, lai redzētu, kā viss izskatās pusgadu pēc implanta noņemšanas (tie izskatās labi). Viņa ir arī šeit, lai satiktu potenciālo otro pacientu, kurš atrodas pilsētā un istabā manas vizītes laikā. Kādā brīdī šīs tikšanās laikā, kad Fernandess skaidro, kā aparatūra savienojas ar galvaskausu, Gomesa pārtrauc diskusiju, noliecas uz priekšu un uzliek potenciālajam klientam roku uz viņas pakauša, kur agrāk atradās metāla izeja. Šodien praktiski nav nekādu pierādījumu par ostu. Viņa stāsta, ka implanta operācija bija tik nevainojama, ka viņa ieradās laboratorijā jau nākamajā dienā, lai pieslēgtu elektrotīklam un sāktu eksperimentus. Kopš tā laika viņai nav bijušas problēmas vai sāpes.

Gómezam paveicās. Ilgajai eksperimentu vēsturei, kas noveda pie viņas veiksmīgā implanta, ir rūta pagātne. 1929. gadā vācu neirologs Otfrīds Foersters atklāja, ka pacienta redzē var parādīties balts punkts, ja viņš, veicot operāciju, ievietos elektrodu smadzeņu vizuālajā garozā. Viņš šo parādību nosauca par fosfēnu. Zinātnieki un zinātniskās fantastikas autori kopš tā laika ir iedomājušies, ka ir iespējama vizuālās protēzes no kameras uz datoru un smadzenēm. Daži pētnieki pat izveidoja elementāras sistēmas.

2000. gadu sākumā hipotētisks kļuva par realitāti, kad ekscentrisks biomedicīnas pētnieks Viljams Dobelle uzstādīja šādu protēzi eksperimentāla pacienta galvā.

2002. gadā rakstnieks Stīvens Kotlers ar šausmām atcerējās, kā Dobelle pagrieza elektrību un kāds pacients nokrīt uz grīdas, raustoties krampju lēkmē. Iemesls bija pārāk spēcīga stimulācija ar pārāk lielu strāvu — kaut kas, izrādās, smadzenēm nepatīk. Dobeles pacientiem bija arī problēmas ar infekcijām. Tomēr Dobelle tirgoja savu lielgabarīta ierīci kā gandrīz gatavu ikdienas lietošanai kopā ar reklāmas video, kurā redzams akls vīrietis, kurš lēni un nestabili brauc slēgtā autostāvvietā. Kad 2004. gadā Dobelle nomira, nomira arī viņa protēze.

Atšķirībā no Dobelle, kurš pasludināja zāles aklajiem, Fernandess gandrīz pastāvīgi saka, piemēram, es nevēlos radīt nekādas cerības, un mēs ceram, ka mums būs sistēma, ko cilvēki var izmantot, bet šobrīd mēs tikai veicam agrīnus eksperimentus. .

Bet Gomess patiesībā redzēja.

Naglu gultne

Ja Gomeza redzes pamatideja — pievienojiet kameru smadzenēs ievietotajam video kabelim — ir vienkārša, detaļas nav. Fernandesam un viņa komandai vispirms bija jāizdomā kameras daļa. Kādu signālu rada cilvēka tīklene? Lai mēģinātu atbildēt uz šo jautājumu, Fernandess ņem cilvēku tīklenes no cilvēkiem, kuri nesen miruši, pieslēdz tīkleni pie elektrodiem, pakļauj tos gaismai un mēra, kas skar elektrodus. (Viņa laboratorijai ir ciešas attiecības ar vietējo slimnīcu, kas dažreiz piezvana nakts vidū, kad orgānu donors nomirst. Cilvēka tīkleni var uzturēt dzīvu tikai aptuveni septiņas stundas.) Viņa komanda arī izmanto mašīnmācīšanos, lai saskaņotu tīklenes elektrisko izvadi uz vienkāršām vizuālām ieejām, kas palīdz viņiem rakstīt programmatūru, lai automātiski atdarinātu procesu.

Nākamais solis ir uztvert šo signālu un nogādāt to smadzenēs. Fernandesa protēzē, kas uzbūvēta Gómez, kabeļu savienojums ir savienots ar parasto neiroimplantu, kas pazīstams kā Jūtas masīvs, kas ir tikai mazāks par AAA akumulatora pozitīvā gala pacelto galu. No implanta izvirzīti 100 sīki elektrodu tapas, katrs aptuveni milimetru garš — kopā tie izskatās kā miniatūra naglu gulta. Katrs elektrods var piegādāt strāvu no viena līdz četriem neironiem. Kad implants tiek ievietots, elektrodi caurdur smadzeņu virsmu; kad tas tiek noņemts, caurumos veidojas 100 sīki asins pilieni.

Implantētajam blokam ir 100 elektrodi, un tas atgādina niecīgu naglu gultni. Fernandess

Fernandesam bija jākalibrē viens elektrods vienlaikus, raidot tam arvien spēcīgākas strāvas, līdz Gomess atzīmēja, kad un kur viņa redz fosfēnu. Visu 100 elektrodu ievadīšana aizņēma vairāk nekā mēnesi.

Mūsu pieejas priekšrocība ir tā, ka masīva elektrodi izvirzās smadzenēs un atrodas tuvu neironiem, saka Fernandess. Tas ļauj implantam radīt redzi ar daudz mazāku elektrisko strāvu, nekā bija nepieciešams Dobeles sistēmā, kas krasi samazina krampju risku.

Protēzes lielais mīnuss — un galvenais iemesls, kāpēc Gómeza nevarēja saglabāt savu ilgāk par sešiem mēnešiem — ir tas, ka neviens nezina, cik ilgi elektrodi var kalpot, nesabojājot ne implantu, ne lietotāja smadzenes. Ķermeņa imūnsistēma sāk nojaukt elektrodus un ieskauj tos ar rētaudi, kas galu galā vājina signālu, saka Fernandess. Pastāv arī problēma, ka elektrodi saliecas, kad kāds pārvietojas. Spriežot pēc pētījumiem ar dzīvniekiem un Gómez izmantotā masīva agrīnas apskates, viņš pieļauj, ka pašreizējā iestatīšana varētu ilgt divus līdz trīs gadus un, iespējams, līdz pat 10, pirms tā neizdosies. Fernandess cer, ka daži nelieli uzlabojumi to pagarinās līdz dažām desmitgadēm, kas ir būtisks priekšnoteikums medicīnas aparatūrai, kurai nepieciešama invazīva smadzeņu operācija.

Galu galā protēzei, tāpat kā kohleāram implantam, būs jāpārraida savs signāls un jauda bezvadu režīmā caur galvaskausu, lai sasniegtu elektrodus. Bet pagaidām viņa komanda līdz šim ir atstājusi protēzi pievienotu eksperimentiem, nodrošinot vislielāko elastību, lai turpinātu atjaunināt aparatūru pirms dizaina izstrādes.

Izšķirtspējā 10 x 10 pikseļi, kas ir aptuveni maksimālā iespējamā izšķirtspēja, kādu var atveidot Gómez implants, var uztvert tādas pamata formas kā burti, durvju rāmis vai ietve. Taču sejas kontūras, nemaz nerunājot par cilvēku, ir daudz sarežģītākas. Tāpēc Fernandess papildināja savu sistēmu ar attēlu atpazīšanas programmatūru, lai identificētu cilvēku telpā un nosūtītu Gómez smadzenēm fosfēnu rakstu, ko viņa iemācījās atpazīt.

25 x 25 pikseļi Fernandess raksta slaidā, kuru viņam patīk prezentēt, redze ir iespējama. Un tā kā Jūtas masīvs tā pašreizējā formā ir tik mazs un tā darbībai ir nepieciešams tik maz enerģijas, Fernandess saka, ka nav tehnisku iemeslu, kāpēc viņa komanda nevarētu uzstādīt četrus līdz sešus katrā smadzeņu pusē, piedāvājot redzi 60 x 60 pikseļu vai augstāks. Tomēr neviens nezina, cik lielu ieguldījumu cilvēka smadzenes var iegūt no šādām ierīcēm, nepārslogojot un neparādot TV sniega ekvivalentu.

Kā tas izskatās

Fernandess un viņa absolvents ar kameras prototipu ir savienoti ar datoru. Russ Juskalians

Gomesa man teica, ka viņa būtu saglabājusi implantu uzstādītu, ja viņai būtu dota izvēle, un ka viņa būs pirmā rindā, ja būs pieejama atjaunināta versija. Kad Fernandesa ir pabeigusi analizēt savu masīvu, Gomesa plāno to ierāmēt un piekārt pie savas viesistabas sienas.

Atgriežoties Fernandesa laboratorijā, viņš piedāvā man pievienot neinvazīvu ierīci, ko viņš izmanto pacientu pārbaudīšanai.

Sēžot tajā pašā ādas krēslā, kuru ieņēma Gomess pagājušā gada izrāviena eksperimenta laikā, es gaidu, kamēr neirologs tur zizli ar diviem gredzeniem pie manas galvas sāniem. Ierīce, ko sauc par tauriņa spoli, ir savienota ar kārbu, kas ierosina neironus smadzenēs ar spēcīgu elektromagnētisko impulsu - parādību, ko sauc par transkraniālo magnētisko stimulāciju. Pirmajā sprādzienā ir sajūta, ka kāds šokē manu skalpu. Mani pirksti neviļus ievelkas manās plaukstās. Paskaties, tas strādāja! Fernandess smejoties saka. Tā bija tava motoriskā garoza. Tagad mēs centīsimies sniegt jums dažus fosfēnus.

Neirologs maina zizli un iestata iekārtu ātrai impulsu sērijai. Šoreiz, kad viņa šauj, es jūtos intensīvi zzp-zzp-zzp , it kā kāds izmantotu manu galvaskausa aizmuguri kā durvju klauvēju. Tad, kaut arī manas acis ir plaši atvērtas, es kaut ko redzu: mana redzes lauka centrā mirgo spilgta horizontāla līnija kopā ar diviem mirdzošiem trīsstūriem, kas piepildīti ar televizora sniegu. Vīzija pazūd tikpat ātri, kā parādījās, atstājot īsu pēcspīdumu.

To varēja redzēt Berna, saka Fernandess. Izņemot to, ka viņas redze uz pasauli bija stabila, kamēr signāls tika pārraidīts uz viņas smadzenēm. Viņa varēja arī pagriezt galvu un ar brillēm paskatīties pa istabu. Tas, ko es biju redzējis, bija tikai elektriski satrauktu smadzeņu iekšējie fantomi. Gomesa patiešām varēja aizsniegt roku un pieskarties pasaulei, uz kuru viņa skatījās pirmo reizi 16 gadu laikā.

paslēpties