Глаза для киборгов: как вернуть зрение

Многие из нас видят будущее глазных имплантов именно так: нечто «громозечное», цифровая камера, просто адаптированная к передаче данных по зрительному нерву. Эдакая почти научная картинка человека-киборга с бионическими глазами. «Почти научная» потому, что при текущем развитии технологий мы вроде бы и можем заменить настоящие глаза на технологический имплант, но… На самом деле, тут сразу множество «но».

Ограничения реального мира

Самое сильное ограничение – показания по установке доступны далеко не всем. Важным условием является рабочий глазной нерв. Без него передать информацию в мозг просто нереально: никто не знает «языка мозга». Глазной нерв передает информацию в зрительный отдел мозга, а тот уже обрабатывает ее. Причем следует понимать, что без такой обработки никакого видения не будет. Медицине известны случаи повреждения зрительной части коры в результате травм. У таких людей вполне сохраняются глаза – но они ничего не видят.

Получается, что обзавестись бионическим глазом пока может только тот, кто обладал настоящим рабочим глазом хоть какое-то долгое время. К сожалению, врожденные дефекты часто приводят к тому, что глазной нерв просто не развит в достаточной степени.

Но попробуем отвлечься от этой категории людей и обратимся лишь к тем, у кого зрение было, но они его утратили. Итак, пусть у нас будет идеальное техническое устройство, которое умеет обрабатывать визуальный сигнал из внешнего мира. Как нам совместить его с живым человеком? Мы можем пойти двумя путями: вносить изменения в сам глаз или глазницу либо подключиться напрямую к коре мозга.

ВАЖНЫМ УСЛОВИЕМ ЯВЛЯЕТСЯ РАБОЧИЙ ГЛАЗНОЙ НЕРВ

Это два разных инвазивных подхода, которые могут отличаться реализациями. Например, в первом случае мы можем имплантировать искусственную сетчатку, если человек страдает от заболеваний, которые ее уничтожили. Иногда есть возможность установить за сетчатку фотоэлемент, который будет тоже реагировать на свет, а затем обрабатывать и передавать сигнал к нерву с помощью компактной микросхемы. Недостатком такого импланта является необходимость внешнего питания (=батарейки). А если сетчатка сохранена, то мы можем имплантировать «микротелескоп», который фактически проецирует увеличенное в 2–3 раза изображение на здоровый участок сетчатки.

1. Имплантируемый миниатюрный «телескоп», обеспечивающий различение удаленных предметов. lowvisionmd.org.
2. Врач оперирует пациента, страдающего макулодистрофией. Для этого ему имплантируют миниатюрный «телескоп». Фото: Steve Zylius/UC Irvine Communications, news.uci.edu

Второй вариант намного, намного более сложный. Кора мозга пока понятна и управляема в куда меньшей степени, чем сам глаз и даже глазной нерв.

И ЭТО УСТРОЙСТВО СЧИТАЕТСЯ НАИБОЛЕЕ УСПЕШНЫМ ИМПЛАНТОМ НА НАШЕЙ ПЛАНЕТЕ!

Самый успешный – но не лучший

Одним из самых успешных коммерческих имплантов был Argus II. Это один из вариантов электронной сетчатки, разработанный компанией Second Sight.

Он предназначен для возвращения минимального зрения совершенно слепым пациентам. В действительности это очень умеренное улучшение – в то время как до ношения импланта человек жил в совершенной темноте, то с ним он может отличать день от ночи и контуры крупных предметов. И это считается наиболее успешным имплантом на нашей планете!

Он состоит из нескольких частей: сам имплант, который вживляется за сетчатку глаза, специальных очков, в оправу которых встроена цифровая камера, – они, фактически, видят за пациента – и специальное устройство для обработки видеосигнала, которое надо носить на запястье как часы.

Очки отправляют изображение на обрабатывающее устройство, которое уже в виде белых и черных точек-пикселей отправляет его на имплант. Тот подает нужные сигналы на глазной нерв. К сожалению, один электрод умеет отвечать только за один пиксель. Поэтому 60 электродов Argus II хватает лишь для создания очень скудного черно-белого изображения.

Кроме этого, об этом устройстве уже можно говорить в прошедшем времени, как о старых моделях айфона, что безусловно очень грустно, и вот почему.

Как и для всех цифровых устройств, для Argus II надо обновлять программное обеспечение, следить за ним в целом и проводить ремонт в случае необходимости. В худшем случае вы можете остаться с устаревшим устройством, которое больше не получает обновления и не подлежит ремонту из-за отсутствия запчастей.

Что и случилось почти с 400 владельцами бионического глаза Argus II. Компания заявила о том, что устройство уже устарело и поддерживать его нецелесообразно, и сейчас она сосредоточена на выпуске новых устройств. Многие пациенты рискуют в ближайшие годы снова ослепнуть, потому что ремонт их имплантов уже не производится, и если случайно повредить очки или устройство обработки сигнала, то починить будет просто некому.

Впрочем, истинные причины отказа Second Sight от производства и поддержки Argus II не в том, что это устройств якобы устарело. Его длительное использование, как выяснило журналистское расследование IEEE Spectrum, ведет к риску возвращения слепоты. Да и стоимость устройства от $150 000 делала такой бионический глаз, мягко говоря, не очень массовым.

Росс Доер (один из пациентов) с имплантом Argus II. Фото: Bob O'Connor spectrum.ieee.org

Нейроимпланты будущего

Тем не менее технологии продолжают развиваться. Некоторого успеха в области протезирования глаза достигли российские ученые. Отечественная разработка называется ELVIS, это нейроимплант, который вживляется непосредственно в кору головного мозга, а информацию получает с камеры, установленной снаружи. Имплант стимулирует малыми токами участок коры, где формируется предметное зрение. Благодаря такому устройству человек сможет распознавать уже формы и контуры предметов. Причем оно должно быть одинаково эффективно для всех форм повреждения зрительного аппарата. Клинические испытания на животных должны продлиться минимум до 2023 года, а широкая доступность для людей запланирована на 2027 год.

БЛАГОДАРЯ ТАКОМУ УСТРОЙСТВУ ЧЕЛОВЕК СМОЖЕТ РАСПОЗНАВАТЬ ФОРМЫ И КОНТУРЫ ПРЕДМЕТОВ

Перспективным в этом направлении выглядят разработки Neuralink, которые уже демонстрировали успех в управлении устройствами с помощью «силы мысли». То есть сигнал из мозга поступал во внешнее устройство. Тем не менее наработанная научная база может помочь совершить ряд других открытий, чтобы приблизиться к действительно мощному импланту, способному вернуть зрение многим людям.

Неинвазивные альтернативы

Одна из главных проблем и Argus II, и любого импланта с вживлением электродов, при котором они подают сигнал на зрительные нервы, – именно в инвазивности этой технологии. Любые попытки создания прямого контакта электрода с нервной тканью часто заканчиваются потерей качества сигнала: вокруг электрода может образоваться соединительная ткань. Или же просто нервные клетки перестают быть достаточно отзывчивыми на его сигналы. В итоге имплант теряет работоспособность всего через несколько лет. Можно попробовать новую операцию – но это всегда риск. Да и не факт, что получится снова установить контакт с глазными нервами

Поэтому кроме попыток восстановить зрение инвазивно разрабатывают и другие пути решения проблемы. Не требующие операции и не рискующие «зарастанием» электродов через несколько лет.

Invision Glasses, letsenvision.com

Устройства такого рода как Envision могут зачитывать своему пользователю текст на открытой им странице книги. Фото: Sadjad Frogh, letsenvision.com

Как насчет того, чтобы вам постоянно говорили о том, что происходит в поле вашего зрения? Очки Envision так и работают – видят все, что должны были бы видеть вы, и благодаря искусственному интеллекту зачитывают это вам. Сделаны они на базе когда-то популярных Google Glass. Функционал довольно простой: очки читают вывески, дорожные знаки, разные надписи. Можно добавить распознавание лиц, для этого человеку потребуется сделать селфи в приложении этих очков. Стоимость устройства – $3500.

Корни сложности

Основная причина того, почему инженерам и ученым так сложно создать хоть какое-то подобие человеческого зрения, заключается в его невероятном совершенстве. Мы мало задумываемся об этом потому, что привыкли к нему, но в действительности его возможности невероятны. Человек – после некоторой практики – ночью может заметить свечу с дистанции в 10 километров (и такие эксперименты проводились). Это значит, что наш глаз регистрирует 1–2 фотона. Подавляющее большинство камер не может ничего подобного – а те, что могут, называют фотонными детекторами, и они совершенно непригодны для работы на ярком свету (не позволят создать единую картинку).

Иллюстрация: Harbin Institute of Technology, healthcare-in-europe.com 

Другая проблема ­– скорость восприятия. Экраны айфонов до недавних пор имели скорость обновления всего 60 раз в секунду. Из экспериментов известно, что наш глаз воспринимает объекты, которые видит всего 1/220 секунды. О разрешении нечего и говорить: опытным путем установлено, что у глаза оно выше 8К. Воспроизвести такие возможности в небольшой носимой камере уже очень сложно.

Но совсем плохо, когда огромный массив полученной от камеры информации надо передать по зрительным нервам. Называя вещи своими именами, у нас пока просто нет техники с такой пропускной способностью и габаритами, близкими к зрительному нерву. И пока никто не знает, как ее создать. Бионические глаза – даже уровня Аrgus II – на сегодня все еще костыли, а не полноценные протезы для замены утраченного зрения.

Как бы ни были прекрасны текущие достижения ученых и технологий, лучше существующих и живых органов еще, к сожалению, ничего не придумано. Даже зубные импланты со временем склонны разрушать челюстную кость, хотя там вовсе не приходится говорить о нейробиологии. Текущее развитие науки не сможет сделать из нас супертехнологичных киборгов с разумом человека, это невозможно. В лучшем случае оно позволит существовать не во тьме и тишине, а в оттенках серого и звуках в паре метров от вас. Берегите себя, близких и свое зрение.