Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Журнал №191, август 2019
Журнал №70, июнь–август 2019
Это новый сайт National Geographic Россия. Пока мы работаем в режиме бета-тестирования.
Если у вас возникли сложности при работе с сайтом, напишите нам: new-ng@yasno.media
Наука

Второй шанс

Текст: Джош Фишман Фотографии: Марк Тиессен
22 июня 2011
/upload/iblock/3b2/3b2ade500472a2622e01ad1678881c53.jpg
Почти такая же Бионическая рука различает поверхности на ощупь, а управлять ею можно как настоящей - с помощью мысленных приказов. Невероятные новейшие изобретения возвращают искалеченным людям возможности, утраченные, казалось бы, навсегда.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/aa8/aa85b6df40a9b6aa6d55b37a36e80d99.jpg
Слышимость отличная. Когда малышу Эйдену Кенни, глухому от рождения, было десять месяцев, ему имплантировали две искусственные передние части ушных лабиринтов, так называемые улитки.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/03b/03b0a6834c8bd7e0aa32923e84515d55.jpg
Имплантаты, видимые на рентгеновском снимке (вверху), доставляют электронные сигналы к слуховым нервам мальчика, минуя неработающие части его ушного аппарата. Через несколько месяцев после операции ребёнок произнёс слова, которые так жаждали услышать его родители: "мама" и "папа". Составной рентгеновский снимок, сделанный в ходе операции.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/678/678e070152ca322e29e8daee2b4fc44e.jpg
Разум и машина. Набор сенсоров отслеживает сокращения мускулов в культе, оставшиеся от руки Аманды Киттс. Протезы нового поколения, подчиняющиеся таким опосредованным сигналам, всё больше напоминают Аманде её настоящую живую руку.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/6e5/6e5f7c29a099ad985c018f9335963d36.jpg
Бионическая женщина. Аманда Киттс представляет, как шевелит рукой, и мышцы, отвечающие за каждое из движений, сокращаются соответственно, выдавая электросигналы. Компьютер, закреплённый на спине, принимает сигналы и передаёт их протезу. Когда Аманда примеряет новую модель, женщине, по её словам, кажется, что она и не теряла руку.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/895/895b1545312ab59dd049e0b24388b20d.jpg
Новый взгляд. 79-летней Джо Энн Льюис установили электронные устройства внутри глазного яблока и вокруг него - это оборудование совместно с компьютером передаёт в её мозг зрительные образы. Электроника перехитрила болезнь, поразившую светочувствительные клетки сетчатки глаза: Джо Энн Льюис снова видит. Правда, предметы, которые женщина помнит с тех времён, когда обладала полноценным зрением, пока выглядят расплывчато и нечётко. Но со временем, благодаря естественной способности мозга к обучению, объекты окружающего мира должны становиться для неё более узнаваемыми.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/975/97540ed4511dd7e5cc18433a53cfc93f.jpg
Каждая точка на устройстве, прикреплённом к сетчатке пациента, - электрод, посылающий сигналы зрительному нерву. Размер этого устройства, созданного американской компанией Second Sight, - менее 8 миллиметров, а состоит оно из 60 электродов. В предыдущей модели их было всего 16. Здесь уместна аналогия с пикселями цифровой фотокамеры: чем больше электродов, тем больше деталей они улавливают. В настоящее время компания разрабатывает модели с сотнями и даже тысячами электродов.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/f8d/f8d017a0c16853c0acdaf3e7335ab84e.jpg
Воин в фокусе. Подполковник Грэг Гэдсон тестирует искусственные нижние конечности, которые призваны возвращать инвалидам способность к передвижению.
Фото: Марк Тиессен
/upload/iblock/51d/51d05be7e0225f1dce622cd49ed95cb6.jpg
Его компьютерные протезы PowerKnees неизменно привлекают к себе внимание. Как говорит сам Гэдсон, он снова учится держаться на ногах, "скрестив своё 43-летнее тело с машиной"
Фото: Марк Тиессен
Ученые все чаще и все успешнее заменяют поврежденные органы и ампутированные конечности людей сложными механизмами. В результате слепые обретают зрение, глухие – способность слышать, а инвалиды могут управлять протезами рук с помощью одной лишь силы мысли. Какие новые возможности подарит людям союз разума и техники?
Cтройная сорокалетняя Аманда Киттс бодро входит в класс. Любимую воспитательницу сразу же окружает толпа малышей четырех–пяти лет. «Как сегодня дела у моих крошек?» – спрашивает Аманда, ероша волосы ребятишек рукой – своей необычной, экспериментальной, искусственной рукой. Аманда уже почти двадцать лет управляет тремя центрами дошкольного образования в штате Теннесси, в том числе этим – «Кидди Коттедж». Присев, чтобы поговорить с девочкой, Аманда кладет руки ей на колени. «Рука, как у робота!» – раздаются детские голоса. «А, вы не забыли?» – спрашивает Аманда и поднимает левую руку, поворачивая ее ладонью вверх. Раздается едва различимое жужжание – не услышишь, если не прислушиваться. Аманда сгибает локоть – снова тот же звук.
Ученым пришлось здорово поработать, чтобы Аманда, потерявшая руку в автокатастрофе, могла с помощью одних лишь мыслей управлять своей искусственной конечностью.
«Сделайте ею что-нибудь забавное», – просит одна девочка. «Забавное? Помните, как я умею пожимать руку?» – Аманда распрямляет локоть и поворачивает запястье. Один из мальчишек нерешительно касается слегка согнутых пластиковых пальцев. Он и не подозревает, сколько пришлось поработать ученым, чтобы Аманда, потерявшая руку в автокатастрофе, могла так, с помощью одних лишь мыслей, управлять своей искусственной конечностью. Мозг, подключенный к компьютеру. Обычные протезы рук – это крючки и шарниры, тросы или моторчики, управляемые рычагами. Чтобы протянуть такую руку вперед, надо повернуть голову и нажать подбородком на рычаг. Ужасно неудобно – неудивительно, что многие инвалиды в итоге отказываются от таких протезов. Совсем другое дело – рука Аманды. Под пластиком телесного цвета скрыты металлический каркас, три моторчика и сложная электросистема. Вся конструкция завершается в районе бицепса, где белый пластиковый чехол охватывает культю, оставшуюся от настоящей руки. А чтобы совершить действие, Аманде достаточно этого просто захотеть. Дело в том, что даже если плоть и кости повреждены или уничтожены, нервы и участки мозга, которые ими управляли, продолжают жить. Мозг по-прежнему готов командовать ампутированной частью тела, нервы – передавать его приказы, да вот только некому их исполнять. Значит, чтобы помочь инвалидам, нужно создать новых «подчиненных» и научить их понимать и выполнять команды мозга. Фантастика? Но в результате подобных операций уже сегодня слепые обретают зрение, глухие – способность слышать, а Аманда Киттс самостоятельно складывает свою одежду. Механизмы, которые им служат, называют нейропротезами, или биониками: ученые уже смирились с термином, придуманным писателями-фантастами. «Бионическая рука» появилась благодаря Тодду Куикену, врачу и инженеру-биомедику из Чикагского института реабилитации (ЧИР). Основной вопрос, который надо было решить Тодду, звучал так: как соединить сигналы мозга и компьютер, управляющий электрическими моторчиками в протезе? Нервы тоже проводят электричество, но их нельзя срастить с компьютерным проводом: нервная ткань и металлические провода плохо сочетаются друг с другом; к тому же открытая рана в том месте, где провод входит в тело, опасна, так как через нее может проникнуть инфекция. Куикену нужен был естественный усилитель для сигналов, поступающих от нервов. Он обнаружил, что с этой ролью справляются... мышцы. Сокращаясь, они производят электрический всплеск, достаточно сильный, чтобы его уловил размещенный на коже электрод. Тодд разработал технологию, позволяющую перенаправить нервы от поврежденных мест, куда они вели прежде, к другим мышцам, которые могут должным образом усилить сигналы. В 2002 году операция была проведена впервые. Четыре года спустя Томми Киттс прочитал об этом в Интернете. Его жена Аманда в то время лежала в больнице – после автокатастрофы ей ампутировали руку чуть выше локтя. «Я мучилась от гнева, тоски и депрессии. Я не могла смириться с тем, что произошло, и не понимала, как Бог допустил, чтобы это случилось со мной», – вспоминает Аманда. Но рассказ Томми пробудил в ней надежду, и вскоре чета уже летела на самолете в Иллинойс. Куикен приступил к работе с Амандой Киттс. Первым делом нужно было высвободить нервы, которые раньше шли до самого конца ее руки. «Здоровой рукой и кистью управляют одни и те же нервы, но нам нужно было создать четыре разных участка мышц и направить их туда», – поясняет Куикен. Нервы начинались в двигательной коре головного мозга Аманды, там, где находится «карта» человеческого тела, однако заканчивались в культе. В ходе сложной операции хирург перенаправил эти нервы к различным участкам мышц верхней части руки. После этого нервы несколько месяцев росли, медленно подбираясь к местам своего нового обитания. «Через три месяца я стала ощущать легкое пощипывание и подергивание, – вспоминает Аманда. – Через четыре месяца, стоило мне прикоснуться к верхней части своей руки, как я начинала чувствовать кисть! Прикасаясь к разным участкам, я ощущала разные пальцы». Это были пальцы той фантомной руки, образ которой хранился в ее мозге и теперь снова был соединен с плотью. Когда Аманда думала о том, как двигает фантомными пальцами, в верхней части ее руки сокращались настоящие мышцы. Еще через месяц ей приладили бионическую руку, снабженную электродами, которые улавливали сигналы мышц. Из участка в культе вырывались бурные потоки электрического шума, и среди них таились сигналы: «распрямить локоть» или «повернуть запястье». Теперь надо было запрограммировать микропроцессор в протезе так, чтобы электроды распознавали нужные сигналы и отправляли их к правильному моторчику. Материализация воображения. Это стало возможным благодаря фантомной руке Аманды. Блэр Лок, инженер-исследователь, отлаживает программу в одной из лабораторий ЧИР. Он просит Аманду снять искусственную руку и присоединяет к культе электроды. Женщина стоит перед большим плоским экраном, на котором появляется отделенная от тела рука, плавающая в голубом пространстве, – визуальное изображение того самого фантома. Электроды улавливают команды, посылаемые мозгом Аманды, и виртуальная рука движется. Тихо, словно боясь нарушить концентрацию Аманды, Лок просит согнуть кисть ладонью к себе – и кисть на экране сгибается так, как нужно. «Теперь распрямите запястье ладонью вверх». Рука на экране совершает требуемое движение. «Лучше, чем в прошлый раз?» – с надеждой спрашивает пациентка. «О, да! Очень сильные сигналы», – отвечает Блэр. Аманда смеется. Затем Лок просит ее вытянуть большой палец параллельно остальным. Рука на экране слушается. Аманда широко раскрывает глаза от удивления. «Я и не знала, что могу все это делать!» После того как удается идентифицировать очередной сигнал, связанный с тем или иным движением, в программу спрятанного в руке компьютера вносится задача отслеживать его и, уловив, приводить в действие нужный мотор. Я наблюдаю за тем, как Аманда на кухне делает сэндвич с арахисовым маслом. Поразительное зрелище! Здоровая рука держит кусок хлеба, в искусственных пальцах зажат нож, локоть сгибается, Аманда плавно намазывает арахисовое масло: вперед-назад. Прежде это было непросто, но чем больше Аманда тренируется, тем естественнее становятся ее движения. Сейчас женщине больше всего хотелось бы восстановить способность к осязанию. Это здорово облегчило бы ей жизнь – например, проще стало бы пить кофе. «Бумажный стаканчик – целая проблема! Когда я хочу что-то взять, пальцы перестают сжиматься, только когда встречают твердую преграду. В случае с бумажным стаканчиком пальцы сжимаются, пока стаканчик не сомнется и кофе не выплеснется. Со мной однажды такое случилось». По мнению Куикена, вероятность того, что Аманда вновь обретет осязание, велика – ЧИР уже разрабатывает новую модель для Аманды и других пациентов. Новая рука оснащена не только дополнительными моторчиками и суставами, но и чувствительными к давлению подушечками на кончиках пальцев. Эти подушечки соединены с маленькими, похожими на поршни стерженьками, которые упираются в мускулы. Мускулы далее передают мозгу сигнал по нервам, «отвечающим» за пальцы – и, соответственно, чем сильнее давление, тем отчетливее ощущение в пальцах существующего в голове Аманды фантома. Испытывая модель, пациентка может понять, с какой силой она сжимает пальцы. А по частоте вибрации стерженьков она способна различать поверхности – шершавая (наждачная бумага) или гладкая (стекло). Аманда мечтает о дне, когда новую модель до конца отладят и отдадут ей в безраздельное пользование. «После аварии я чувствовала себя потерянной, – вспоминает Аманда. – Сейчас же я все время в приподнятом настроении – потому что мою руку постоянно совершенствуют. А если она обретет способность осязать, я смогу хлопать в такт, когда мои ребятишки поют». Нервы не железные? 40-летнему Эрику Шремпу из Огайо, в отличие от Аманды, не нужны искусственные руки – ему нужно, чтобы заработали его собственные. А они не делали этого с тех пор, как в 1992 году Эрик, неудачно нырнув, сломал себе шею и остался парализованным. Но сегодня Эрик уже может держать нож и вилку – благодаря устройству, которое создал инженер-биомедик Хантер Пекхем. В пальцах Эрика сохранились мышцы, и нервы, управляющие ими, никуда не делись, однако сигналы, которые направляет к ним мозг, пресекаются в районе шеи. Команда Пекхема протянула под его кожей восемь электродов микроскопической толщины – от грудной клетки и до мышц пальцев правой руки. Когда сокращается какая-либо мышца грудной клетки, сигнал об этом через радиопередатчик поступает в маленький компьютер, прикрепленный к креслу-коляске. Компьютер интерпретирует сигналы и отправляет их назад, на ресивер, имплантированный в грудь Эрика. Затем сигнал переправляется по электродам в руке к кисти и там отдает пальцам приказ сжаться. Все это происходит за долю секунды. «Взять вилку и самостоятельно поесть – многое для меня значит», – говорит Эрик. Лечение с помощью этого метода, остающегося пока экспериментальным, прошли уже около 250 человек. Однако существует еще более проверенное приспособление, уже доказавшее, что союз разума и механики может быть действенным, прочным и долговечным. За последние три десятилетия подобные устройства были имплантированы приблизительно 200 тысячам людей во многих странах мира. Тэмми Кенни, мама полуторагодовалого Эйдена Кенни, год назад узнала страшную новость – слуховые аппараты не помогут ее глухому от рождения малышу. «Я тогда часто брала сына на руки и плакала, зная, что он меня не услышит, – вспоминает Тэмми. – Однажды мой муж со всей силы ударил одной кастрюлей о другую, надеясь увидеть реакцию Эйдена, – безрезультатно». А затем, в феврале 2009 года, хирурги клиники Университета Джона Хопкинса ввели в передние части ушных лабиринтов, так называемые улитки, обоих ушек малыша имплантаты – тонкие извилистые проводки с 22 электродами. Улитка – орган, который обычно улавливает звуковые колебания. У Эйдена же это делает микрофон, и его сигналы посылаются к электродам, которые уже передают их нервам. «В тот самый день, когда включили имплантат, Эйден повернул голову на звук моего голоса», – вспоминает Тэмми Кенни. Сегодня с помощью интенсивной терапии Эйден быстро учится говорить и вот-вот догонит своих сверстников, у которых нет проблем со слухом. Двигать предметы силой мысли. Вслед за бионическими ушами скоро могут появиться и бионические глаза. Джо Энн Льюис из Техаса потеряла зрение много лет назад из-за пигментного ретинита – болезни, разрушающей светочувствительные клетки сетчатки, которые получают сигналы и передают их дальше, к клеткам внутреннего слоя сетчатки. Последние у Джо Энн частично уцелели – такое часто случается при пигментном ретините. Чтобы помочь ей, надо было придумать, чем заменить светочувствительные клетки, и расшифровать «язык», с помощью которого они передают информацию на внутренний слой сетчатки. С задачей справился Марк Хумаюн, офтальмолог из Университета Южной Калифорнии. После десяти лет испытаний он с коллегами разработал систему, которую назвали «Аргус» (по имени многоглазого гиганта из древнегреческих мифов). Пациенту выдают темные очки, снабженные крошечной видеокамерой и радио-передатчиком, который посылает видеосигналы на компьютер, укрепленный у него на поясе. Компьютер переводит сигналы в электрические импульсы, понятные внутреннему слою сетчатки, и отправляет на приемник, спрятанный за ухом. Оттуда импульсы по проводкам поступают в глаза, к 16 электродам, аккуратно присоединенным к поверхности сетчатки. Импульсы воздействуют на электроды, те – на клетки, а остальную работу выполняет мозг. Джо Энн Льюис была одной из первых пациенток, воспользовавшихся новой моделью. «Теперь я снова вижу очертания деревьев, – говорит она. – Это одно из моих последних воспоминаний о тех временах, когда я еще видела мир. А сегодня я опять вижу, как ветви тянутся в разные стороны». Нейропротезирование стремительно развивается. Участники проекта BrainGate уже напрямую пытаются соединить кору головного мозга парализованных людей с компьютером, чтобы они могли передвигать предметы на расстоянии усилием мысли. Пока удалось добиться того, что у пациентов получается двигать курсор на мониторе. Ученые даже планируют создать искусственный гиппокамп – часть мозга, хранящую воспоминания, – чтобы помочь людям, страдающим потерей памяти. Конечно, не все работает идеально. Один из первых пациентов BrainGate попросил отсоединить себя от компьютера, поскольку провод мешал работе других помогающих ему приспособлений. А Джо Энн Льюис говорит, что видит недостаточно хорошо, чтобы осмелиться перейти улицу. «Мы даем людям инструменты, – объясняет Тодд Куикен. – Но эти инструменты все еще достаточно грубы по сравнению со сложным устройством человеческого тела – это как свеча по сравнению с солнцем». Пусть так. Однако люди, уже использующие эти инструменты, могут, по крайней мере, держать свечу в руке. Или различить ее мерцание в непроглядной тьме.