Увидеть свет: российские учёные нашли способ вернуть зрение незрячим людям

Некоммерческая Лаборатория «Сенсор-Тех» совместно с Фондом поддержки слепоглухих «Со-единение» разработала нейроимплант, который поможет людям с приобретенной слепотой снова видеть. Работает он за счёт прямого воздействия на зрительную кору мозга. Первые добровольцы смогут протестировать аппарат уже в 2024 году.

Жизнь во тьме

22 сентября 1958 года в Лаятико, небольшой итальянской деревушке в Тоскане, родился мальчик по имени Андреа. Он рос обычным ребёнком, но любовь к музыке заметно выделяла его на фоне ровесников. К шести годам Андреа уже владел фортепиано. Позже он освоил флейту и саксофон. А сильный голос подарил ему победу в нескольких вокальных конкурсах и сделал солистом школьного хора.

Казалось, что судьба талантливого мальчишки предрешена. Если бы не здоровье. Практически сразу после рождения Андреа поставили диагноз — глаукома. Это хроническое, прогрессирующее заболевание глаз, при котором постепенно нарушается отток внутриглазной жидкости и работа зрительного нерва. Если не начать лечить это заболевание вовремя, оно неизбежно приведет к полной слепоте.

Маленький Андреа перенес 27 операций. Родители мальчика использовали все возможности, чтобы вернуть сыну зрение. Последняя надежда на улучшение исчезла после несчастного случая во время игры в футбол — мяч случайно отскочил Андреа в голову. Результат — кровоизлияние в мозг. Мальчик полностью ослеп. Ему было 12 лет.

Несмотря на трагедию, Андреа продолжил жить полной жизнью. Окончив школу, он поступил на юридический факультет Пизанского университета. А по вечерам подрабатывал в ресторанах как музыкант. В начале 90-х на одном из музыкальных мастер-классов талант Андреа заметил итальянский оперный певец Франко Корелли. И взял его в ученики. А затем запись голоса Андреа услышал Лучано Паваротти. Знаменитый тенор не мог поверить, что этот талант до сих пор поёт в ресторанах, а не на большой сцене.

Так мир узнал об Андреа Бочелли. Слепота не помешала ему найти своё призвание, построить карьеру и стать кумиром миллионов. К сожалению, судьбы тысяч других людей, которые лишились зрения, сложились совсем иначе. Многие из них практически не выходят из дома, потому что городская среда просто не приспособлена для незрячих.

Слепота — это болезнь, которая характеризуется полным отсутствием зрения или его значительным снижением. К слепоте могут привести травмы, заболевания, генетическая предрасположенность, особенности внутриутробного развития и возрастные изменения. Согласно подсчётам Международного агентства по профилактике слепоты, нарушения зрения разной степени тяжести имеют 284 миллиона жителей Земли, из них 39 миллионов полностью лишены зрения. В России слабовидящих и полностью незрячих около 210 тысяч человек. В действительности эта статистика может быть намного хуже, потому что некоторые люди не имеют доступа к медицинской помощи или по каким-либо собственным причинам не обращаются к врачам.


Что внутри?

Человеческий глаз, или глазное яблоко, имеет шаровидную форму. Он состоит из наружной и сосудистой оболочек, а также из сетчатки и внутреннего содержимого. Передняя часть наружной оболочки — это роговица. Она, как прозрачное окошко, пропускает лучи света внутрь глаза, а благодаря выпуклой форме ещё и преломляет их. Задняя, белая, часть наружной оболочки — это склера. Она выполняет роль каркаса, а также защищает глаз от травм и проникновения микробов.

За наружной оболочкой находится сосудистая. Она состоит из множества мелких сосудов, по которым двигается кровь и снабжает глаз кислородом и питательными веществами. Сосудистая оболочка имеет несколько частей: переднюю — радужку, среднюю — цилиарное тело и заднюю — хориоидею, собственно сосудистую оболочку. Пигмент, содержащийся в радужке, определяет цвет глаз. А в центре радужки находится круглое отверстие — зрачок, через который внутрь глаза попадают световые лучи.

Сразу за зрачком располагается хрусталик. А прямо за ним стекловидное тело. Хрусталик имеет форму двояковыпуклой линзы. Опору ему даёт цилиарное тело. Стекловидное тело заполняет почти всё пространство внутри глаза и отделяет хрусталик от глазного дна. Лучи света, проходящие через поверхность хрусталика, собираются в одну точку, формируя копию наблюдаемого предмета на сетчатке. Обеспечивает зрение нам именно она. Сетчатка состоит из нескольких слоёв нервных клеток и выстилает глаз изнутри, образуя глазное дно. На сетчатке отображаются предметы, которые мы видим. Информация о них передаётся в мозг по зрительному нерву.

К нарушениям зрения могут привести травмы и патологические процессы в любом из отделов глаза. Чаще всего вследствие болезней и возрастных изменений страдают хрусталик, сетчатка и зрительный нерв.

Первые шаги

 

Одним из первых целителей, который лечил глазные болезни и свидетельства о котором сохранились до наших дней, был Пепи Анк Ири. Он жил в Египте во II тысячелетии до н. э.

Однако вплоть до XIX века н.э. офтальмология развивалась исключительно эмпирическим путём, посредством наблюдений и экспериментов. На протяжении нескольких веков наиболее полным и систематизированным руководством для офтальмологов считался «Медицинский канон». Он был написан персидским учёным и врачом Авиценной в начале II тысячелетия н. э.

Только в 50-60-х годах XIX века развернулась настоящая исследовательская деятельность. В этот период работал в том числе немецкий физик и врач Герман Гельмгольц, которому принадлежит создание офтальмоскопа — главного инструмента любого офтальмолога; с его помощью проводится осмотр глазного яблока и глазного дна без хирургического вмешательства. В эти годы трудился и Альбрехт фон Грефе — немецкий хирург-офтальмолог, который провёл первую успешную операцию по избавлению больного от острого приступа глаукомы.

В России к началу ХХ века офтальмология была не на самом высоком уровне. Тогда в стране насчитывалось только 209 врачей-офтальмологов. Это ничтожно мало, учитывая, что более 1 млн жителей страдали трахомой — инфекционным заболеванием, которое вызывают хламидии; оно постепенно поражает конъюнктиву, роговицу и вызывает слепоту. Поэтому в 20-х годах ХХ века были открыты шесть научно-исследовательских институтов глазных болезней, а также сеть государственных трахоматозных диспансеров. В медицинских институтах начали открывать кафедры офтальмологии и специализированные лаборатории.


На острие прогресса

 

С тех пор офтальмология шагнула далеко вперёд. Многие глазные болезни, провоцирующие слепоту, можно вылечить полностью или замедлить их развитие. Но понятия устранимой и неустранимой слепоты остаются. К устранимой слепоте относят, как правило, катаракту. При этом заболевании мутнеет хрусталик, который сейчас можно заменить без особых проблем с помощью операции. В случае неустранимой слепоты (вследствие травм, пороков развития, глаукомы и т.д.) никакие инъекции, операции и гимнастики не восстановят зрение. Но существуют различные технологии, которые могут облегчить жизнь незрячим людям.

Например, разрабатываются приложения, которые помогают людям с проблемами зрения «видеть» то, что их окружает. Одно из таких — Seeing AI. Его создал незрячий программист Сакиб Шаих из США. Чтобы приложение сработало, достаточно навести камеру на нужный человеку объект. Приложение зафиксирует всё, что «увидит», проанализирует с помощью искусственного интеллекта и опишет «увиденное» голосом. Но подобные приложения больше подходят для каких-то конкретных ситуаций или задач, например, для чтения или похода в магазин. Пользоваться ими непрерывно может быть проблематично.

Существуют и более сложные разработки. Например, французская компания Pixium Vision создала бионический протез глаз – IRIS. Это целый набор составляющих: очки с камерами, чип с электродами, пульт управления. Чип имплантируется пациенту в сетчатку, а электроды присоединяются к глазному нерву. Сигналы на электроды подаются с камер, которые установлены на очках. Глазной нерв принимает эти сигналы, передает их в мозг, где они преобразуются в изображения. С помощью пульта управления можно регулировать яркость и размер изображения. К сожалению, такой вариант протеза подходит только людям со здоровым зрительным нервом.


Имплантировать зрение? Легко!

Аппарат, которым на постоянной основе смогут пользоваться люди с приобретённой слепотой (в том числе с повреждённым или отсутствующим зрительным нервом), разработали российские учёные. Сейчас он тестируется на обезьянах. Врачи Сочинского научно-исследовательского института медицинской приматологии уже провели первую успешную имплантацию аппарата шестилетнему незрячему самцу павиана.

Авторы разработки — некоммерческая Лаборатория «Сенсор-Тех» и Фонд поддержки слепоглухих «Со-единение». Совместно они создали технологию нейроимплантов ELVIS (Electronic Vision), которые способны компенсировать проблемы со зрением, слухом, неврологические нарушения и хронические болевые синдромы. Технология работает за счёт воздействия на разные зоны головного мозга, в результате чего у человека возникают те или иные сенсорные ощущения.

Система для восстановления зрения ELVIS V состоит из трёх блоков: обруча с двумя камерами, микрокомпьютера и импланта. Обруч с камерами выполняет функцию глаз, в реальном времени считывая изображение окружающей человека среды. Человек должен всё время носить обруч на голове, поскольку он непрерывно отправляет сигналы о полученных данных в микрокомпьютер.

Микрокомпьютер помогает распознать эти сигналы, изображения. Он представляет из себя небольшую «коробочку» с процессором внутри и кнопками снаружи, которую человек сможет закрепить на поясе с помощью ремня.

Анализировать изображения компьютер может благодаря встроенной в него и специально обученной нейросети. Это компьютерная программа, которая способна обучаться по принципу человеческого мозга: нужно просто загружать в неё массивы необходимых данных, а затем делать запросы на поиск того или иного документа; перебирая постепенно эти массивы, отыскивая варианты ответа на запрос и сравнивая их с правильным, программа выстраивает нейронные связи и таким образом обучается. То есть, получив изображение от обруча с камерами, микрокомпьютер анализирует данные с помощью нейросети и отправляет их импланту.

Имплант контактирует непосредственно со зрительной корой головного мозга, которая расположена в затылочной доле головы. Он состоит из микрочипа и антенны. Микрочип представляет собой маленькую квадратную пластину. На нём расположены электроды, с помощью которых производится стимуляция зрительной коры малыми токами.

Антенна — круглая пластина, размером с пятирублевую монету, что в несколько раз больше размера микрочипа. Антенна принимает сигналы передатчика, расположенного в микрокомпьютере, посредством радиосигнала. Он передается с помощью колебаний электромагнитных полей — радиоволн. Мы не видим эти волны, но названы они так именно потому, что представляют собой тонкую струну волнообразной формы. Передаётся и принимается радиосигнал благодаря металлическим токопроводящим элементам, встроенным в антенны.

Полный цикл передачи и приёма сигнала выглядит так: камеры фиксируют изображение; передатчик, расположенный в обруче, преобразуют его в электрический ток и отправляет электромагнитную радиоволну в пространство. Её практически моментально ловит принимающая антенна, встроенная в микрокомпьютер. Она преобразует радиоволну обратно в переменный электрический ток, а затем в нужный ему формат, код. Далее компьютер пропускает эти данные через нейросеть. А затем снова преобразует результат анализа в ток и отправляет его антенне импланта в виде радиоволны. Антенна снова преобразует волну в ток и направляет его в микрочип с электродами. Получив ток, электроды воздействуют им на участок мозга, к которому подключен микрочип.

В результате воздействия током зрительная кора возбуждается, а человек начинает «видеть» световые вспышки — фосфены (зрячий человек может увидеть их, просто закрыв глаза). Именно фосфены формируют в сознании зрительные образы, изображения, которые передали камеры.

Такое кибернетическое зрение, конечно, отличается от обычного. Незрячий человек не увидит всё, что его окружает, в красках и деталях. Пока аппарат может предложить только контурное чёрно-белое зрение. Но учёные работают над усовершенствованием технологии. Протестировать её первые добровольцы смогут в 2024 году. А если все испытания пройдут успешно, пользоваться ELVISом люди, потерявшие зрение, смогут уже в 2027 году.