В случае нормального зрения свет падает на сетчатку внутри глаза и немедленно преобразуется в электрохимические сигналы перед загрузкой в мозг через оптические нервы. Следовательно, вы видите не сам свет, а лишь интерпретацию этих сигналов в визуальной области мозга. Из этого следует, что в случае, если ваши глаза не работают, но мозг стимулируют таким же образом, ваши зрительные нейроны активируются (и вы сможете видеть) точно так же, как если бы ваши глаза были в прекрасном состоянии.
Звучит просто, но можем ли мы это сделать? Основываясь на десятилетиях научных изысканий в области зрительной неврологии, моя лаборатория в сотрудничестве с лабораторией Сюсаны Мартинес-Конде, сейчас проводит исследования, которые подтверждают данную идею, завершая некоторые очень важные подготовительные шаги на пути создания нового типа зрительного протеза.
Френсис Коллинз, директор НИЗ США, недавно написал в своём блоге пост, в котором выделяет наиболее важные моменты нашего подхода к решению данной проблемы. Он обратил внимание на нашу работу, когда мы впервые представили её на собрании ведущих исследователей Инициативы BRAIN (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies — Исследование мозга средствами передовых инновационных нейротехнологий) — возглавляемая НИЗ инициатива с бюджетным финансированием, предназначенная для стимулирования исследований по направлениям вроде мозговых имплантов. Данная Инициатива оказывает финансовую поддержку нескольким организациям, включая НИЗ и Национальный научный фонд США, которые великодушно выделили нам грант, продвигающий наши разработки до настоящего времени.
Наше исходное положение — это то, что зрение в основе своей — миниатюрный рисунок размером с ноготь большого пальца. Даже если 99,9% вашей сетчатки работают как надо, но центральная 1/1000 часть вашего поля зрения повреждена, вы официально будете признаны слепым. Эта центральная 0,1% сетчатки будет иметь примерно такой же размер, как ноготь большого пальца на вытянутой руке (по сравнению с остальным полем зрения — Прим. пер.). А так как эта центральная 0,1% есть зона наилучшего визуального восприятия, то она является местом, где творится вся зрительная магия. Фактически бо'льшая часть оставшихся 99,9% сетчатки нужна для того, чтобы определить, куда вам двигать глазами дальше. Это означает, что нам нужно восстановить центральное зрение у слепого, или мы не восстановим функциональное зрение вовсе.
Плюс к этому, мы также должны добиться у протезного зрения той же остроты, что и у нормального, или пациенты всё ещё будут слабовидящими. А что означает "достаточно хорошо" для зрения? Ответ — в звёздах. Выйдите на улицу ясной ночью, взгляните вверх и найдите звёзды. Звучит парадоксально, но крупнейшие и самые малые (на ваш взгляд) звёзды в небе на самом деле имеют одинаковый размер на взгляд фоторецепторов вашей сетчатки. Поскольку все звёзды очень далеки от нас, свет, который достигает Земли от каждой из них и попадает на вашу сетчатку, приходится на область, меньшую, чем один фоторецептор. Но из-за рассеивания в атмосфере (и особенно в вашем глазу), более яркие звёзды активируют больше фоторецепторов и поэтому кажутся крупнее, чем более тусклые. Из этого следует, что самые тусклые звёзды в небе — это самые маленькие объекты, которые вы способны увидеть. Если с помощью протеза мы сможем восстановить зрительное восприятие объектов такого размера, значит, мы сможем восстановить визуальное восприятие любого объекта в мире, что для многих пациентов будет переломным моментов в жизни, стоящим риска операции на головном мозге.
Наши последние исследования показывают, что с помощью протеза возможно стимулировать зрительные структуры мозга в определённых точках с достаточной точностью, чтобы вызвать образ отдельной звезды, максимально контрастный, без возбуждения посторонних нейронов. Вот что значит стимулировать мозг и восстановить составные элементы зрения.
Есть два основных этапа данного проекта:
1) Чтобы стимулировать фазу обработки визуальной информации с синаптической точностью, так, как это делает натуральная система зрения, нам нужен способ активации нейронов зрительной системы с помощью протеза. Мы делаем это, вводя специально разработанный вирус в область, где оптические нервы первый раз соединяются в центре мозга. Вирус внедряет гены в клетки и преобразует их в фоторецепторы - теперь они чувствительны к свету. Поскольку эти нейроны проходят весь путь и достигают зрительной коры в самой задней части головного мозга, и также потому, что они "вычерчивают карту", которая соответствует зрительной картине окружающего мира, мы можем прецизионно стимулировать их синаптические связи с помощью видеопроектора, чтобы воссоздать то, как бы они реагировали на реально поступающий визуальный сигнал. Затем мы воздействуем на центральные зрительные нейроны и в конечном итоге восстанавливаем зрение. В этом вся суть нашего проектируемого зрительного протеза.
2) Стимуляции нейронов без мониторинга эффекта этой стимуляции будет не достаточно. Нам также будет необходимо считывать результаты нашей стимуляции в реальном времени, чтобы регулировать мощность как функцию вариативности, свойственную электрическому импульсу нейронов. Восстановить зрение — значит, предусмотреть механизм регуляции, который поддерживает зрительную систему откалиброванной в любой момент времени.
Чтобы добиться этого, мы дополнительно введём вирус, но теперь уже в зрительную зону коры головного мозга, чтобы сделать её нейроны биолюминесцентными, так, чтобы они загорались в активном состоянии. Благодаря использованию биолюминесцентных протеинов различных цветов, нейроны также будут иметь разную окраску, чтобы мы могли считывать их активность с помощью камеры для цветной съёмки, которая подобна маленькой камере в вашем мобильном телефоне.
3) Нам нужно сконструировать видеопроектор и камеру для цветной съёмки, которые можно имплантировать в мозг. Это достаточно простая инженерная задача, сравнимая с проектированием смартфона, или даже проще.
Следующие несколько лет покажут, сможем ли мы извлечь выгоду из этих первых шагов и пройти путь от понимания до принципиального конструирования элементов протезного зрения, чтобы сделать действующий качественный протез. Мы будем постоянно держать вас в курсе нашего прогресса в этом направлении.
... Моня? Моня всё таки живёт среди нас. Просто помните это.
