Зрительные и слуховые имплантаты
Около 3-х миллионов людей во всём мире, среди них 10 тысяч в одной только Германии, страдают пигментным ретинитом. Это наследственное заболевание глаз, одна из форм дегенерации сетчатки, характеризуется прогрессирующим разрушением её светочувствительных клеток – прежде всего, палочек, но также и колбочек. Это приводит к перманентному ухудшению зрения, а со временем – и к полной его потере. Но небольшая часть нервных клеток сетчатки, способных воспринимать информацию и передавать эти сигналы через зрительный нерв в головной мозг, всё же сохраняется. Именно на эти клетки сделала ставку группа немецких учёных, создавших самый первый в мире полностью имплантируемый беспроводной внутриглазной протез. Среди разработчиков протеза – инженеры Рейнско-Вестфальской высшей технической школы в Ахене и специалисты Института микроэлектронных схем и систем имени Фраунхофера в Дуйсбурге, хирурги-офтальмологи глазных клиник в Ахене и Эссене, физики, биологи и неврологи Марбургского университета. Работа над проектом началась более 12-ти лет назад, но её ещё и сегодня никак нельзя считать завершённой. Однако один из важнейших этапов на пути к признанию новинки уже позади: протез успешно прошёл первые испытания на слепых пациентах.
Сам имплантат – он именуется «EpiRet3» – формой и размером напоминает пуговицу от мужской сорочки – только не с четырьмя дырочками, а с одной, чуть более крупной и расположенной в самом центре. Внутри пуговицы под прозрачной оболочкой хорошо видны микросхемы и сложное переплетение тонких проводов. С одного бока имплантат имеет отросток, своего рода хвост длиной около одного сантиметра – это жгут электродов. Физик Томас Вахтлер (Thomas Wachtler) из Марбургского университета, один из разработчиков нового протеза, поясняет:
Визуальная информация регистрируется видеокамерой и с помощью особых электронных декодеров преобразуется в радиосигналы. Передатчик, который может быть расположен, например, в оправе очков непосредственно перед глазом, посылает эти радиосигналы на приёмную антенну имплантата. Эта антенна, размещённая в хрусталике глаза, трансформирует получаемые ею радиосигналы в электрические токи и подаёт их на сетчатку. Оттуда под воздействием этих электрических раздражителей нервные клетки посылают свои сигналы в головной мозг, где они и воспринимаются в качестве тех или иных зрительных образов.
Такова общая схема действия имплантата, и предложена она была уже давно. А вот на то, чтобы воплотить идею в конкретный продукт, потребовались годы труда и не один миллион евро. Но ни компьютерное моделирование, ни даже многочисленные опыты на животных не могли дать ответ на главный вопрос: работает ли эта идея на практике применительно к человеку и не чревата ли она непредвиденными осложнениями. Чтобы это выяснить, требовались испытания на людях. Протезы были имплантированы 6-ти добровольцам, страдающим пигментным ретинитом и полностью утратившим зрение много лет назад. Как только крохотные операционные ранки затянулись, стало ясно, что имплантаты не вызывают ни у одного из участвующих в эксперименте пациентов никаких побочных реакций, и это уже можно было расценить как первый успех. Однако главная задача испытаний состояла в том, чтобы выяснить, способен ли протез воспринимать и передавать дальше зрительную информацию, и если да, то какую. Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи решили стимулировать сетчатку не изображением от видеокамеры, а стандартизованными сигналами, генерируемыми компьютером. Одна из исследовательниц, проводивших эти эксперименты, – биолог Зузанне Клауке (Susanne Klauke) – говорит:
У всех шести пациентов эта стимуляция вызвала зрительные образы. Это уже само по себе может считаться значительным успехом. Пока пациенты смогли воспринимать и различать лишь самые простые, самые элементарные образы – они описывали их как точки или как прямые линии, но иногда даже как некие геометрические фигуры вроде треугольников, квадратов и окружностей.
Эксперименты продолжались только 4 недели. Затем имплантаты были снова удалены – в конце концов, речь ведь пока шла всего лишь о том, чтобы получить практическое подтверждение плодотворности самого принципиального подхода к решению проблемы. Теперь разработчики видят свою задачу в том, чтобы в течение ближайших 3-х лет увеличить количество электродов в имплантате в 10 раз – с 25-ти до 250-ти. Миниатюрная видеокамера, интегрируемая в оправу очков, может быть уже сегодня собрана из серийно выпускаемых компонентов. Главная же – и самая сложная – проблема состоит в том, чтобы подобрать для протеза оптимальный «язык общения» с головным мозгом пациента. Поэтому группа учёных Марбургского университета во главе с профессором Франком Бреммером (Frank Bremmer) пытается определить, какие параметры сигналов – частота, сила тока и так далее – в наибольшей степени соответствуют алгоритму возбуждения нервных клеток в процессе естественного восприятия зрительных образов. Томас Вахтлер говорит:
В любом случае наш успех полностью зависит от того, будет ли с нами, так сказать, «сотрудничать» мозг наших пациентов: ведь он должен постепенно свыкнуться с незнакомыми сигналами и алгоритмами, научиться их правильно интерпретировать. Это предполагает сложный и долгий процесс обучения. То есть после операции по имплантации такого протеза пациенту предстоит период интерактивного тренинга и адаптации. С одной стороны, имплантат должен научиться правильно генерировать сигналы, с другой стороны, пациент тоже должен приноровиться, приспособиться к имплантату, чтобы добиться приемлемого восприятия зрительной информации.
Впрочем, сами же разработчики предостерегают от излишнего оптимизма: как бы ни совершенствовался имплантат, он не сможет обеспечить по-настоящему острое зрение. Ведь сетчатка человеческого глаза состоит из ста миллионов светочувствительных нервных клеток, а протез немецких учёных – даже в его завершённом виде – будет обладать лишь 250-ю электродами. Руководитель проекта профессор Бреммер говорит:
Таким образом, одним электродом мы всегда будем раздражать не один, а сразу множество нейронов, множество нервных клеток, вызывая тем самым зрительный образ, занимающий довольно значительную часть поля зрения. В результате пациент сможет воспринимать лишь очень грубые очертания объекта, размытые контуры, – без тех мелких деталей, которые легко регистрирует здоровый глаз. То есть надо отдавать себе отчёт в том, что наш имплантат не способен стать полноценной заменой утраченному зрению.
Иными словами, бывшие слепые пациенты, получив такой имплантат, не смогут, скажем, снова начать читать. Скорее всего, они обретут способность лишь более или менее успешно ориентироваться в пространстве – скажем, находить дверь и окно в помещении или перемещаться по комнате, не натыкаясь на мебель. Но для человека, ещё совсем недавно совершенно слепого, уже и это было бы грандиозным прогрессом. Между тем, создатели имплантата полагают, что их детище окажется достаточно эффективным и для пациентов, страдающих возрастной дистрофией жёлтого пятна. На долю этого – гораздо более широко распространённого – заболевания приходится примерно половина всех случаев старческой слепоты.
Конечно, по сравнению с потерей зрения тугоухость и даже полная глухота представляются всё же не столь серьёзным дефектом: ведь от 80-ти до 90-та процентов всей информации об окружающем мире человек воспринимает глазами. Однако нарушения слуха, особенно в пожилом возрасте, – явление гораздо более массовое. Сегодня в мире насчитывается примерно 600 миллионов людей, в той или иной мере страдающих потерей слуха. По оценкам экспертов, уже к 2015-му году их число превысит 700 миллионов. Причём если в возрастной группе от 40 до 49-ти лет на плохой слух жалуются всего лишь 6 процентов, то в группе от 50-ти до 59-ти лет этот показатель достигает 25-ти процентов, а среди лиц старше 70-ти лет тугоухость диагностируется более чем у половины.
Впрочем, то, что тугоухость – явление возрастное, не совсем верно. Дело в том, что люди, случайно или по недомыслию испортившие себе слух в молодости, как правило, долгие годы этого просто не замечают. Но почему? Всё дело в физиологии мозга, – говорит профессор Юрген Кислинг (Jürgen Kießling), заведующий отделением аудиологии Университетской клиники Гисена и Марбурга:
В юности мозг способен восстанавливать недослышанную часть информации, компенсировать её, причём так, что сам человек этого не замечает. А с возрастом эта способность мозга слабеет, и у человека возникает ощущение, что он стал хуже слышать. На самом же деле вполне может быть, что его тугоухость наступила 20, а то и 30 лет назад.
Конечно, использование слуховых аппаратов облегчает положение пациентов. Но недаром, например, в Германии, где тугоухостью страдают 15 миллионов человек, к их помощи прибегает лишь каждый пятый. С одной стороны, до недавнего времени слуховые аппараты имели всё же довольно внушительные размеры и не слишком привлекательный вид. А кроме того – и это, пожалуй, главное, – оставляет желать лучшего эффективность слуховых аппаратов, особенно недорогих, то есть наиболее доступных. Между тем, эффективная коррекция нарушений слуха требует весьма изощрённых технических решений. Профессор Юрген Кислинг поясняет:
Нейросенсорная, или лабиринтная тугоухость – это наиболее часто встречающаяся сегодня форма нарушения слуха. И она характеризуется тем, что страдающие ею люди воспринимают звуки не только тихо, но и неправильно, искажённо. Они жалуются, что слышать-то они слышат, а вот разобрать, понять чужую речь не в состоянии.
Значительно более эффективным и практичным средством коррекции нарушений слуха, нежели слуховые аппараты, являются так называемые кохлеарные, или улитковые имплантаты. Это электронные слуховые протезы, вживляемые непосредственно в улитку внутреннего уха и перенимающие его функцию, которая заключается в преобразовании акустических колебаний в электрические сигналы. Однако до сих пор миниатюрные микрофоны таких имплантатов оставались внешним элементом этой системы, а значит, наиболее слабым и уязвимым звеном всей цепочки. Поэтому медики и инженеры уже давно работают над созданием кохлеарных протезов с полностью имплантируемыми микрофонами. При этом вырисовываются три различных подхода к решению проблемы. Наиболее простой в техническом и медицинском отношении представляется имплантация обычного микрофона непосредственно под кожу головы. Однако у этого подхода есть и один весьма существенный недостаток: такой микрофон особенно чувствителен к звукам, возникающим внутри самого организма, например, при пережёвывании пищи, зевании и любых других движениях челюстно-лицевой мускулатуры. Гораздо более многообещающим, хотя и технически сложным, является второй подход. Он состоит в том, чтобы регистрировать звук на слуховой косточке с помощью лазерного луча. Ханнес Зайдлер (Hannes Seidler), инженер-акустик клиники Дрезденского университета, поясняет:
Свет лазера, как известно, имеет постоянную длину волны, что и позволяет мне с высокой точностью измерять частоту колебаний любых поверхностей. Для этого нужно лишь регистрировать и анализировать интерференцию, то есть наложение отражённых волн. А колебания на поверхности слуховой косточки – это и есть те самые звуковые волны, проникающие снаружи. Эти механические колебания мы легко можем преобразовать в модулированные соответствующим образом электрические сигналы.
Третий подход предполагает имплантацию миниатюрного динамического микрофона в среднее ухо, – говорит Ханнес Зайдлер:
Мы выбрали этот путь, то есть мы вживляем микрофон непосредственно в среднее ухо. По сути дела, это детектор механических колебаний, который регистрирует те звуковые волны, что поступают от наружного уха в среднее через евстахиеву трубу и барабанную перепонку. Такое решение позволяет нам в полной мере использовать все преимущества, присущие человеческому уху. Я имею в виду способность определять направление звука, отличать звук спереди от звука сзади и так далее.
Впрочем, на этом пути инженерам и медикам ещё предстоит решить немало проблем, – признаёт Ханнес Зайдлер:
Речь идёт о том, чтобы сделать механические и электронные компоненты более чувствительными. Мы должны добиться очень низкого уровня шума и искажений, ведь мы хотим, чтобы микрофон и самые слабые звуки надёжно улавливал, и от самых громких не перегружался. Это первый круг задач. Есть и второй. Он связан с тем, что среднее ухо расположено очень близко к головному мозгу, их разделяют лишь две оболочки, и это обстоятельство предъявляет высочайшие требования к материалу, из которого изготовлена капсула имплантата. Он должен быть биосовместимым, не вызывать ни воспалений, ни реакций отторжения и так далее, и он должен обеспечивать полную герметичность имплантата, чтобы никакие жидкости организма не могли просочиться внутрь капсулы и никакие вещества, заключённые внутри капсулы, не могли проникнуть в организм.
Столь строгим требованиям материал капсулы должны отвечать на протяжении не менее чем 15-ти лет – ведь нарушение герметичности любого из элементов имплантата, будь то микрофон или блок управления, автоматически повлечёт за собой сложную хирургическую операцию. Столь же продолжительным должен быть и срок службы электронной начинки капсулы. Впрочем, не любой дефект электроники потребует обязательного хирургического вмешательства, – говорит Ханнес Зайдлер. Так, в случае отказа микрофона или элемента питания...
Я ведь могу снова разместить наружное устройство возле уха, и оно будет передавать звуковые сигналы так же, как это изначально предусмотрено в сегодняшних протезах с внешним микрофоном. Это тот самый канал связи, который в нашем полностью имплантируемом протезе используется для его программирования. Так что общий срок службы нашего протеза может быть продлён, даже если вживлённый микрофон выйдет из строя.