Автор Максат Камысов
Эти люди жили в абсолютной темноте. Они не могли отличить яркий день на пляже от пребывания в угольной шахте. Мысль о том, что у них появилась надежда на хоть какое-то зрение, поражала как пациентов, так и врачей
Лучано В. Дель Приоре, заведующий отделением офтальмологии, Йельская больница (Нью-Хейвен)
В 2022 году Макс Ходак, сооснователь нашумевшей нейротехнологической компании Илона Маска Neuralink, запустил собственный стартап по разработке медицинских решений Science Corp. Первым проектом новой компании стал зрительный имплант дополненной реальности Science Eye. Проект заявлен как усовершенствованный зрительный протез для людей, страдающих от слепоты, вызванной потерей фоторецепторов. Настоящий ли это «киберглаз»? На чем основаны самые современные решения по восстановлению или улучшению зрения?
Эволюция сделала все возможное для защиты глаз. Хрупкое глазное яблоко природа обезопасила от механических повреждений выпирающими костями надбровных дуг и скулами, переносицей и костным краем лица. Помимо этого, глаза защищены рефлексами – человек непроизвольно щурится, жмурится или прикрывает лицо руками в любых угрожающих ситуациях. Но все же и травмы, и офтальмологические заболевания порой приводят к повреждению глаз, а в худшем случае – к слепоте. В таких ситуациях раньше прибегали только к протезированию утраченного глазного яблока, а сегодня – и к функциональному протезированию зрения.
По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), на 2022 год порядка 2,2 млрд человек в мире страдают от расстройств зрения, из них около 285 млн имеют частичную слепоту, а 39 млн человек полностью лишены зрения. Прогресс в развитии искусственного интеллекта, в протезировании и других инновационных отраслях дает им возможность в той или иной степени вернуть утраченные функции.
За последние десятилетия ученые значительно продвинулись в бионике, в том числе и в разработке бионических глаз. Пока применение искусственных функциональных глаз для лечения слепоты находится на начальной стадии, но современные технологии имеют тенденцию к быстрому росту и, по данным консалтинговой компании Data Bridge Market Research, к 2028 году мировой рынок бионических глаз вырастет в два раза и составит порядка 425,85 млн долларов.
Смотреть и видеть
Визуальная информация проходит через несколько этапов обработки по пути от восприятия к видению.
Глаз – это первый этап восприятия, еще не само зрение, а лишь базовый механизм для получения сигнала, представляющий собой сложную оптическую систему, состоящую из нескольких линз. Первая линза – роговица: это вогнуто-выпуклая линза, которая принимает лучи, исходящие от всех предметов в зоне видимости, и наряду с этим обеспечивает защитную функцию. Через отверстие – зрачок лучи попадают в хрусталик, который представляет собой двояковыпуклую линзу, собирающую лучи в одну точку, составляя изображение – уменьшенное и перевернутое. В таком формате увиденное попадает на сетчатку. Оптика на этом заканчивается: сетчатка преобразует попавшие на нее следы фотонов в электрические сигналы и передает их мозгу.
Если коротко, далее сигналы проходят по нескольким зрительным центрам в промежуточном и среднем мозге и затем передаются на затылочную долю коры больших полушарий, где и преобразуются в визуальные образы.
С учетом всех этих процессов создание функционального протеза человеческого глаза представляется крайне нетривиальной задачей. Попробуем разобраться, насколько человечество продвинулось на пути к ее решению.
Ретинальные импланты
Ретинальные импланты, то есть импланты сетчатки, были зарегистрированы еще в 1956 году, однако их коммерциализация началась сильно позже. Этот способ предполагает электрическую стимуляцию оставшихся после повреждения нейронов сетчатки глаза, и далее полученное в результате «изображение» проходит весь последующий цикл обработки и распознавания в мозге.
Принцип работы таких протезов обычно представляет собой следующий алгоритм: камера, установленная на внешний модуль (чаще всего очки), записывает изображение и передает поток на переносной компьютер-видеорегистратор, преобразующий это изображение в сигнал, который расшифровывается протезом и передается по электродной матрице на сетчатку, а затем и в мозг. Затем полученная информация обрабатывается в зрительных центрах мозга, и человек получает «изображение». Однако технологические возможности камер и преобразователей имеют серьезные ограничения, поэтому изображение получается схематичным и пока что черно-белым (рис. 1), но ученые работают над этим.
Рис. 1. Примерное изображение, которое видит человек со зрительным протезом. Источник: компания Elvis
На что же, однако, может рассчитывать человек, получивший подобный протез? Исследование, проведенное среди пациентов, получивших ретинальный протез ARGUS II производителя Second Sight (США), показало как сильные стороны, так и недостатки такой имплантации. В рамках эксперимента испытуемые прошли тест на выполнение 35 повседневных действий с включенным имплантом и с выключенным. Так, с активированным ARGUS пациентам было проще искать двери, реагировать на свет, сортировать темное и светлое, а также замечать людей и перемещаться по улице, однако оказалось сложнее перемещаться по дому или по лестницам. Но, согласитесь, это в любом случае лучше, чем жить в полной темноте.
Другой вариант – это система бионического зрения IRIS II производства французской компании Pixium Vision, которая максимально приближена в своем устройстве и по функционалу к протезу от Second Sight, однако превосходит его по количеству электродов – 150 против 60 у ARGUS II. Создатели импланта утверждают, что длительное использование прибора приведет к улучшению распознавания образов и даже текста. Та же компания предлагает и второй вариант – систему PRIMA, предназначенную для людей, страдающих от нарушений центрального зрения.
Еще один мощный конкурент – это субретинальный имплант Alpha IMS, который представляет немецкая компания Retina Implant AG. Его принцип действия схож с обыкновенными ретинальными имплантами, однако Alpha IMS не используют внешнюю камеру и работает с оптическими сигналами, поступающими непосредственно на сетчатку. Этот имплант содержит самое большое количество электродов – 1600, что обеспечивает самое большое разрешение, но в то же время сказывается и на размере протеза, существенно усложняя хирургические манипуляции.
Еще один вариант такого импланта предлагает австралийская компания Bionic Vision. Одноименный продукт устанавливается не на сетчатку, а между склерой и сосудистой оболочкой глаза. Отличительной особенностью австралийского гаджета разработчики называют «умную» обработку сигнала, которая обеспечивает лучшую ориентацию в пространстве, однако за это приходится «расплачиваться» сокращенным углом зрения.
Скандал с Second Sight (ретинальные протезы ARGUS)
Технологии протезирования зрения еще молоды и дороги – в среднем стоимость операции по установке ретинального протеза, например, ARGUS II, составляет более 100 тыс. долларов. И даже при существенной дороговизне таких устройств полноценной гарантии возвращения зрения все еще нет.
Компания Second Sight, наряду со своими инновационными изобретениями, прославилась и неоднозначным отношением к пациентам. Операция по вживлению импланта ARGUS занимает порядка четырех часов, последующая реабилитация пациента требует от нескольких месяцев до нескольких лет. Результаты могут быть впечатляющими, а могут – разочаровывающими. Некоторые пациенты впоследствии получают возможность не только различать лица людей и ориентироваться в пространстве, но даже кататься на лыжах и стрелять из лука. Другие находят имплант раздражающим и бесполезным.
В 2019 году Second Sight заявила, что сворачивает развитие направления ARGUS из-за его нерентабельности, но заверила своих пользователей в том, что поддержка действующих имплантов и реабилитации пациентов будет продолжена. Однако на фоне экономических трудностей в 2022 году компания сообщила о слиянии с Nano Precision Medical (NPM), после которого никто из представителей старой компании не будет входить в состав управляющих. Представители NPM пообещали, что постараются избрать «верный с этической точки зрения» путь. Однако ряду пользователей уже было отказано в реабилитационных мероприятиях и замене вышедших из строя устройств, в частности, под предлогом увольнения сотрудников Second Sight и полной смены стратегии компании.
Что еще предстоит? Ретинальные импланты продолжают продвигаться дальше в технологическом плане, исследователи ведут работы над улучшением качества изображения (хотя до человеческого глаза им все еще очень далеко, ведь количество фоторецепторов в нем составляет порядка 100 миллионов единиц против 1600 у самого продвинутого импланта), над различением цветов, а также предпринимают попытки максимально приблизиться к естественному варианту сетчатки. Так, например, исследовательская группа из Шанхайского Клинического центра общественного здравоохранения ведет работу над ретинальными нанотрубками, которые в силу своего малого размера помогут серьезно улучшить разрешение. Еще одна группа китайских исследователей разрабатывает перовскитную искусственную сетчатку, которая позволит различать цвета.
Оксфордские ученые работают над биопикселями, которые можно применить в качестве «строительного материала» для протеза сетчатки, который по своей форме будет максимально приближен к естественному человеческому варианту.
Однако есть и проблемы. Глаз, как мы убедились ранее, крайне сложный орган, в особенности для хирургических манипуляций, что также накладывает свой отпечаток. Сложность хирургического вмешательства и высокая вероятность осложнений значительно снижают возможности по увеличению размеров импланта (а это могло бы повысить качество изображения). Также важно понимать, что используемые в имплантах электроды – это не живые нейроны, в определенных условиях электроды подвержены химической реакции с окружающими веществами, что может привести как к выходу из строя самого электрода, так и к вреду для клеток. Остро стоят вопросы теплоотведения, бесперебойности и стабильности работы, увеличения сроков эксплуатации и другие технологические вызовы.
Ряд сложностей напрямую связаны с человеческим организмом, чьи индивидуальные особенности могут как облегчить, так и осложнить работу исследователей и медиков. Во-первых, использование таких систем имплантов возможно только при наличии живых клеток сетчатки, а при ряде заболеваний, связанных со слепотой, неприменимо. Во-вторых, проблемой могут стать реабилитация и адаптация пациента к протезу. Наряду с успешными случаями, когда протезы помогали людям повысить качество жизни, бывали и ситуации, когда адаптация давалась пациентам крайне тяжело и перестройка психики и работы мозга занимали достаточно много времени.
Кортикальные системы
Наряду с имплантом сетчатки, существует и второй способ вернуть утраченное зрение. Он отошел еще дальше от естественного человеческого механизма, поскольку минует глаза полностью. Кортикальные системы позволяют «видеть» объекты исключительно за счет стимуляции зрительных центров головного мозга. Как и в случае с ретинальными протезами, кортикальная система использует камеры и процессор, который преобразует изображение от камеры в электрические сигналы, однако, в отличие от ретинальных протезов, матрица со стимулирующими электродами устанавливается непосредственно в головной мозг. В этом направлении активно ведутся исследования и проводятся клинические испытания, результаты некоторых планируют представить в 2023 году.
В целом, кортикальные системы рассматриваются как значительный прорыв для технологий, связанных со зрением, за счет их большей инклюзивности и широких перспектив. В теории, в будущем эти технологии можно использовать для «улучшения» зрительных функций человека, поскольку они не задействуют глаза и в потенциале могут обходить их биологические ограничения. Так, применение камер вместо глаз может открыть человеку возможность существенно расширить зрительный спектр, приближать изображение, лучше улавливать инфракрасные и ультрафиолетовые лучи или видеть тепловой след. Все это может найти применение в различных областях деятельности.
Но неизвестно, по какому пути пойдет наука. Возможно, двигателем прогресса станет «железо», однако не исключено, что важную роль сыграет искусственный интеллект. Применение специально обученных нейросетей в потенциале позволит повышать разрешение получаемого от камеры видеопотока и лучше распознавать предметы.
Возвращаясь к анонсу Макса Ходака. Science Eye не стоит считать киберглазом, который уже сегодня способен расширить возможности человеческого зрения. Однако как смелые новации, так и определенная доля хайпа, привнесенные стартапом коллеги Илона Маска, могут оказать положительный эффект на отрасль и привлечь инвестиции, которые позволят двигать вперед науку и технологии.
Российский опыт и перспективный ElVis (Electric Vision)
В июле 2017 года в России прошла первая операция по установке ARGUS II незрячему человеку. Операцию провели на базе Научно-клинического центра оториноларингологии ФМБА, зрение обрел 58-летний экс-фрезеровщик Челябинского тракторного завода Григорий Ульянов, который был слепым около двадцати лет. Стоимость операции составила порядка 150 тыс. долларов, и она стала возможной только за счет совместных усилий Фонда поддержки слепоглухих «Со-Единение», благотворительного фонда «Искусство, наука и спорт», АНО «Лаборатория «Сенсор-Тех», ФГБУ «Научно-клинический центр оториноларингологии ФМБА России» и компании Second Sight.
В том же году врачи РНИМУ им. Н.И. Пирогова установили систему ARGUS 56-летней Антонине Захарченко. После двух успешных прецедентов заместитель министра здравоохранения в то время, Татьяна Яковлева, заявила, что в подобном протезе сетчатки нуждаются порядка 50 тыс. человек, проживающих в России. Она же отметила, что протезы будут закупать за рубежом, поскольку Россия не обладает необходимым производством, но также сообщила, что «наметки в России уже есть».
В 2021 году появились новости об отечественном нейроимпланте ElVis (Electric Vision), который, по заявлению разработчиков, призван «вернуть зрение слепым». Компания-разработчик занимается производством кортикальных имплантов. По словам руководителя проекта Дениса Кулешова, директора Лаборатории «Сенсор-Тех», ElVis – это технология, которая «даст возможность транслировать видеосигнал в головной мозг. Наши разработки сейчас позволяют нам уверенно говорить о том, что мы сделаем медицинское устройство, которое действительно вернет зрение слепым и слепоглухим».
По изначальному плану клинические испытания импланта на добровольцах должны начаться в 2023 году, а к 2027-му планировалось вывести устройство на рынок. Однако ввиду усложнившейся ситуации в экономике сложно сказать, насколько осуществим этот сценарий.
©«Новый оборонный заказ. Стратегии»
№ 1 (78), 2023 г., Санкт-Петербург
