Эксперимент, проведённый в прошлом году в лаборатории Эберхарда Фетца в Университете Вашингтона в Сиэтле, был первой демонстрацией нового подхода, который в будущем может способствовать лечению паралича, возникающего у больных в результате нарушения проводимости спинного мозга. Хотя в настоящее время большое внимание уделяется работе над использованием стволовых клеток, которые должны восстанавливать поврежденные нервные волокна, некоторые исследователи полагают, что электронный подход в решении данной проблемы не менее эффективен.
Обезьяна сидит на скамейке, провода от её головы и запястья идут к небольшому электронному устройству. Сначала запястье просто безвольно висит, но в течении 10 минут мышцы обезьяны начинают сокращаться, а рука двигаться из стороны в сторону. Движения неуклюжие, но достаточно уверенные, чтобы обезьяна заслужила награду в виде сока.
Нервная связь в верхней части руки обезьяны была ранее заблокирована анестезией, которая прервала сигналы, идущие от мозга к запястью, оставляя мышцы временно парализованными. Обезьяна смогла двигать своей рукой, потому что провода и электронное устройство в виде черного ящичка обошли заблокированную связь.
Испытания проходили в лаборатории Эберхарда Фетца в Университете Вашингтона в Сиэтле. Эксперимент, проведённый в прошлом году, был первой демонстрацией нового подхода, который в будущем может способствовать лечению паралича, возникающего у больных в результате нарушения проводимости спинного мозга. Хотя в настоящее время большое внимание уделяется работе над использованием стволовых клеток, которые должны восстанавливать поврежденные нервные волокна, некоторые исследователи полагают, что электронный подход в решении данной проблемы не менее эффективен.
Идея заключается в том, чтобы внедрить электронные чипы в соответствующие области мозга для записи сигналов, возникающих в результате нервной деятельности. Тогда декодер расшифровывает нервные импульсы, исходящие зачастую от тысячи нейронов, чтобы выяснить, что мозг хочет, чтобы тело сделало. Полученные сообщения должны быть переданы, в идеале беспроводным способом, на электроды, которые обеспечивают электронный импульс для приведения мышц в действие. Такие мозговые чипы уже используются для восстановления слуха у глухих и возвращения зрения слепым и помогают предотвратить эпилептические припадки, так что идея не настолько надуманна, как это может показаться на первый взгляд (см. «Bionic medicine»).
Каждый шаг на пути прогресса в области решения проблем паралича давался с большим трудом. Одна из первых демонстраций того, что это может быть возможным, произошла в 2003 году, когда Хосе Кармена, а затем и в Университете Дюка в Дареме, Северная Каролина, успешно создали интерфейс, позволяющий объединить головной мозг и компьютер, что позволило обезьянам из его лаборатории играть в компьютерные игры, используя только нервные импульсы.
Чтобы получить награду в виде сока, обезьяны должны были переместить курсор, первоначально с помощью джойстика, для поражения цели на экране компьютера. Предварительно Кармена и его коллеги имплантировали несколько чипов по всей теменной и лобной доли мозга обезьян - областях, отвечающих за планирование и управление движением. Каждый чип содержал до 64 электродов, которые фиксировали импульсы от окружающих нейронов, в то время как обезьяны управляли джойстиком.
После того как система успешно расшифровала сигналы, исходящие от нейронов обезьян, программа перестала отвечать на движение джойстика вообще и, чтобы управлять курсором, положилась исключительно на мысли обезьян. В конце концов, даже животные поняли это и перестали держать джойстики (PLoS Biology, т. 1, стр.42).
Управление курсором на экране компьютера - это одно, но могли ли бы такие мозговые чипсы справиться с более сложными задачами повседневной жизни? Этот вопрос оставался открытым до 2004 года, когда Джон Донахью и его коллеги из Cyberkinetics в Провиденс, Род-Айленд, имплантировали чип с 100 электродами в мозг 25-летнего человека, известного как МН, который оказался парализованным от шеи и ниже после ножевого ранения.
В течение последующих девяти месяцев, МН успешно использовал чип BrainGate, чтобы открывать электронную почту, управлять настройками телевизора и даже управлять роботом-манипулятором (Nature, т. 442, стр. 164). Это был многообещающий шаг вперёд, но в то же время технология была далека от совершенства. «Хотя BrainGate1 работает хорошо по разным направлениям, но порой его управление не является удовлетворительным», - говорит Донахью. К концу испытания ликвор заметно ухудшил работу чипа. Команда учёных сейчас решает эти проблемы и в начале этого года объявила о начале клинических испытаний для улучшенной версии чипа.
Восстановление движения в своих собственных конечностях, конечно, является для парализованных людей последней надеждой. До эксперимента лаборатории Фетца в прошлом году, никто еще не использовал имплантирование столь успешно, чтобы соединить разорванную связь между мозгом и телом. Испытания функционального электрического стимулятора (ФЭС), в котором внедренные электроды непосредственно приводят мышцы в действие, дали понять, что это могло бы быть возможно. Но эти импульсы были активизированы внешними пусковыми механизмами, которым управляет один из здоровых членов пациента, а не непосредственно мозговыми сигналами.
Работа Фетца показала не только то, что электроника может расшифровывать нервные сигналы и подавать соответствующие команды конечностям, используя ФЭС, но и то, что мозг справляется с такой работой легче, чем можно было бы ожидать. Хотя моторные нейроны, которые соединились с чипом, первоначально не управляли запястьем, в короткое время они приспособились к задачам и стали управлять довольно сложными движениями (Nature, т. 456, стр. 639).
«Все нейроны могут быть использованы в равной степени для управления независимо от их первоначальной приспособленности к движению», говорит член команды исследователей Чет Мориц. Для людей, которые надеются использовать аналогичные имплантанты, это может иметь важные последствия в будущем. «Это подчеркивает впечатляющую гибкость головного мозга в процессе обучения и приспособления к новым связям, которые могут сыграть ключевую роль в обеспечении нейронных протезов, которые будут использоваться пациентами», - говорит он.
Может ли такой подход помочь при работе с людьми? Как оказалось, для этого не существует принципиальных препятствий, и Донахью планирует проверить свои наработки в новых испытаниях BrainGate, используя свои чипы для контроля конечностей с помощью ФЕС. В случае успеха, это будет представлять собой веху в развитии подобного рода лечения.
Прямая электрическая стимуляция мышц при использовании ФЭС вряд ли может быть окончательным решением, при этом подходе используется относительно мощный электрический ток, приложенный к большому участку тканей, создавая довольно неуклюжие движения. Более изящный метод, утверждают некоторые - это послать импульс к существующим здоровым нервам. Это потребует меньшего воздействия тока, который будет подходить с большей точностью, к более лучшим областям мышечной ткани, что должно позволить осуществлять более тонкий контроль за движениями.
Координация
В качестве бонуса, нервная стимуляция может упростить некоторые из требований, которые помещены в мозговой чип. Поэтому, для многих ритмичных действий, таких как дыхание, ходьба, ползание, мозг просто посылает сигнал и встроенные системы спинного мозга организуют отличное движение каждой мышцы. Таким образом, если здоровые отделы поврежденного спинного мозга сохранили свою способность контролировать движение, электронный чип может передавать мозговой сигнал в обход повреждённого участка, при этом оставляя регулировку мышечного движения спинному мозгу. В этом случае мозговой чип просто посылает сигнал на второе устройство, внедрённое в позвоночник ниже разрыва, которое осуществляет стимулирование спинного мозга.
«Это может значительно упростить обработку сигналов, идущих от мозга», - говорит Мориц, так как для этих повторяющихся задач мозговой чип просто расшифровывает и передаёт команды. Такое упрощение должно повысить надёжность чипа - важное соображение, когда единственным способом замены чипов является хирургическое вмешательство.
Используя этот принцип в 2002 году, Вивиан Мушавар, работающая в настоящее время в Университете Альберты в Эдмонтоне, Канада, подключила четыре электрода к спинному мозгу кошки и подала сигналы, которые должны были стимулировать двигательные движения лапами. После чего кошка достаточно уверенно сделала шаги.
Таким образом, при варианте более сложной травмы, когда спинной мозг утрачивает возможность координировать движения, передача сигнала в обход места разрыва помогать не будет. В этих случаях, чтобы свести к минимуму размеры мозгового чипа и нагрузку, возложенную на него, регулирование мышечных сокращений необходимо будет осуществлять либо через чип, который имплантирован в спинной мозг или через внешнее устройство, которое беспроводным образом взаимодействует с чипами в мозге и в позвоночнике.
Рассчитать, какие из нервов стимулировать и в какой степени - не простая задача, но первая демонстрация «искусственной центральной нервной системы» прошла в прошлом году, когда Мушавар и ее коллеги из Университета Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, успешно осуществили испытание таких чипов на кошке. При этом координация движений происходила исключительно за счет внешнего чипа CPG, связанного с частью электродов, которые стимулировали позвоночник кошки, животное было в состоянии ходить (IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, т. 2, стp. 212). В этом эксперименте команда исследователей просто испытывала способности CPG регулировать движение в качестве альтернативы ФЭС, поэтому спусковой механизм находился в ручном переключателе, а не в мозгу кошки. Следующим шагом будет использовании CPG в сочетании с нейронным чипом.
В то время как этот чип CPG имел дело только с движениями, возникающими при ходьбе, у людей дополнительный внешний чип мог бы также разгрузить часть обрабатываемой информации от мозгового чипа: для неповторяющихся движений, таких как сжатие кулака или поднимание руки.
Для многих пациентов технология, подобная этой, как бы там ни было, будет являться решением проблемы только наполовину. Парализованные люди, которые вместе с движением потеряли и чувствительность, нуждаются в двусторонней системе для передачи импульсов и их обратного возращения к мозгу. Эта информация может исходить из искусственных датчиков, но в идеале чип прочитает сигналы от существующей нервной системы и передаст их чипам, которые стимулируют участки мозга, обрабатывающие осязательную информацию.
Хотя работа в этой сфере продвигается медленно, есть достоверные свидетельства, которые утверждают, что когда-нибудь это будет возможно. Например, Кармена, который в настоящее время работает в Университете Калифорнии, Беркли, в последнее время стимулировал мозг крыс, заставляя их воспринимать ощущения от некоторых «виртуальных усов», побуждая их двигаться, как будто это собственные усы крыс. Подобные технологии смогут в один прекрасный день обрабатывать осязательную информацию в человеческом мозгу.
Если эти многообещающие возможности мозгового чипа должны использоваться, то ученым необходимо дать гарантии в их безопасности и долговечности. Биосовместимость, например, является огромной проблемой, потому что ткань мозга может плохо отреагировать на имплантат, убивая нейроны, к которым электроника пытается подключиться. Недавние исследования показывают, что покрытие гормонами роста могло бы смягчить эту проблему, в то время как другие показали, что чипы, которые медленно выделяют стволовые клетки, могут также работать.
Существует также и проблема питания устройства. Большинство существующих имплантантов подключены к батарее вне головы, которая может регулярно заменяться. Питание электричеством может осуществляться и посредством помещения электродов в позвоночнике и конечностях, но это менее практично для чипа находящегося глубоко внутри черепа. Вместо этого, такие чипы необходимо перезаряжать от электромагнитных полей, создаваемых устройством вне головы, так что потребление энергии должно быть минимальным.
Одно из решений могло бы состоять в том, чтобы перенести более трудную обработку на портативный компьютер вне тела, прежде чем передавать информацию к чипам, которые стимулируют нервную систему. Таким образом, Рейд Харрисон из Университета Юты в Солт-Лейк-Сити выпустил нейронной чип, который использует только 8 милливатт. Это меньше, чем «режим ожидания» LED на передней панели телевизора.
Безопасность
Пройдёт много времени, прежде чем эти чипы смогут стать основной лечения: американская FDA (U.S. Food and Drug Administration - Управление по контролю за продуктами и лекарствами США) требует целых 10 лет проведения испытаний на животных, прежде чем чип можно будет считать достаточно безопасным, чтобы быть внедренным в человеческий мозг. Это означает, что новейшие технологии, такие как мозговые чипы, которые стимулируют осязательные ощущения в мозгу, должны пройти тщательное тестирование, прежде чем смогут начаться клинические испытания.
Но даже когда технология зарекомендует себя с положительной стороны, необходимо будет решать социальные вопросы, связанные с лечением. Для примера возьмем вопрос о безопасности. В прошлом году команда исследователей успешно использовала программу управления кардиостимулятором и дефибриллятором посредством беспроводной связи, что позволило врачам регулировать их работу. Хотя устройства на тот момент не применялись, однако был поднят вопрос о возможности вмешательства хакеров в процесс лечения пациента и нарушать его (New Scientist, 22 марта 2008 года, стр. 23).
Хуже того, в настоящее время нет очевидных способов защиты дефибрилляторов или кардиостимуляторов от хакеров, чтобы при этом не препятствовать врачебному доступу к ним во время чрезвычайных ситуаций. Так как нейронные протезы будут также сильно полагаться на беспроводную связь для обмена данными между различными компонентами, риск для этих чипов может быть даже больше.
Возможно, самым запутанным является вопрос о правовой ответственности. Если пациент во время ношения нейронного протеза ударил кого-нибудь, кто в этом виноват? Действия могут быть преднамеренными и в этом случае пациент виноват или чип может быть неисправен, в этом случае ответственность ложится на производителя. Выяснение истины окажется нелёгкой задачей. Было трудно добиться закона о самостоятельной автомобильной парковке, не говоря уже об электронном управлении конечностями.
Бионическая медицина: другие области применения
Паралич не является единственным заболеванием, которое можно лечить с помощью мозговых чипов.
Глухота
Кохлеарный имплантант был коммерчески доступным устройством в течение многих лет. Он обнаруживает и создает звуковой сигнал, который подается прямо в слуховой нерв. Таким образом, поврежденные части уха могут быть обойдены полностью.
Слепота
Для слепых людей, которые не имеют возможности обратить световые сигналы в нервные сигналы, проходят испытания протезов для сетчатки. Они могут быть подключены в мозг либо в саму сетчатку, зрительный нерв или даже зрительную кору головного мозга.
Болезнь Паркинсона
Некоторым людям с болезнью Паркинсона может быть имплантирована система с глубокой стимуляцией головного мозга, которая может убрать часть дрожи, характерной для этого заболевания. Хотя операция сопряжена с риском, новые исследования показывают, что люди получили больше, чем 4,5 «хороших» часов в день, используя подобные устройства (The Journal of the American Medical Association, том 301, стр. 63).
Эпилепсия
Устройства, известные как «мозговые водители ритма», посылая регулярные электрические импульсы к определенным участкам головного мозга, помогают защитить нейроны от повреждения и вовлечения в патологические процессы возбуждения в головном мозге и обусловленное этим возникновение эпилептических припадков.
Санни Бейнс, «NewScientist»