Современные киборги: как человек чинит, совершенствует и дополняет своё тело

От простого к сложному

Люди научились делать протезы много тысяч лет назад. В 2001 году немецкие учёные описали мумию женщины, жившей в Древнем Египте: большой палец её правой ноги был деревянным и крепился к ступне с помощью ремешков. Несмотря на простоту конструкции, без протеза женщина вряд ли могла бы нормально ходить: при шаге большой палец принимает на себя 40% веса тела. Так работают экзопротезы — искусственные части тела, закрепляемые снаружи. К слову, известные пиратские атрибуты — крюк вместо руки и деревянная нога — выполняют ту же роль. Существуют также эктопротезы — они тоже закрепляются снаружи, но функция у них чисто косметическая. Это, например, протезы глазного яблока, ушной раковины или фаланги пальца на руке.Те искусственные элементы, что вживляются внутрь тела, называются эндопротезами. Это, к примеру, искусственные суставы. Часто протезируются суставы ног, тазобедренный и коленный: они испытывают высокие нагрузки, а их повреждение лишает человека возможности ходить. К эндопротезам относятся также искусственные сердечные клапаны — они широко применяются уже более полувека, с конца 1950-х годов.

Золотая рука Джейме Ланнистера — хороший пример эктопротеза / «Игра престолов», HBO, 2011−2019 годыИ суставы, и клапаны по конструкции относительно просты и выполняют механическую работу. Именно на них медики опробовали технологии вживления в человеческое тело посторонних элементов. Следующим шагом было использование устройств, активно взаимодействующих с организмом, — так появились кардиостимуляторы и кохлеарные аппараты.Кардиостимуляторы — сложные программируемые устройства, способные с помощью электрических импульсов вызывать сокращение сердечной мыщцы и таким образом поддерживать или задавать ритм работы сердца. Первые кардиостимуляторы, наружные, были довольно неэффективными, так что с 1958 года их стали имплантировать, устанавливая два электрода прямо на сердце. Поначалу их требовалось заменять раз в год или два, теперь срок службы достигает 15 лет.

Еще сложнее устроен кохлеарный аппарат, помогающий восстановить слух тем, кто страдает от нейросенсорной тугоухости — потери слуха из-за повреждения структур, отвечающих за восприятие звука. Кохлеарный аппарат создали французы Шарль Эйрис и Андре Дюрно. В отличие от суставных и сердечных имплантатов, он уже вполне близок к устройствам из фантастических фильмов. Аппарат состоит из нескольких частей. Первая — наружная, в неё входят микрофон, аудиопроцессор и передатчик. Она съёмная и закрепляется на голове у пациента. Вторая часть — имплантирумая, она состоит из приёмника и электродов, которые вживляются в улитку внутреннего уха. Устройство работает так:

• микрофон воспринимает звук и передаёт его аудиопроцессору, а тот кодирует сигналы в электромагнитные импульсы;
• эти импульсы с помощью радиоволн передаются имплантированному приёмнику и через электроды поступают на окончания слухового нерва;
• слуховой нерв собирает сигналы и отправляет в мозг, который воспринимает их как звук.

Фактически имплантат полностью берёт на себя функции наружного и среднего уха — воспринимает звук, преобразует его в электрические сигналы и передаёт к слуховому нерву.

Первую операцию по установке кохлеарного аппарата сделали в 1957 году, и это был большой скачок на пути к сложным биоинженерным устройствам. Ведь одно дело — заменить кость металлической пластиной или стержнем, и совсем другое — сделать так, чтобы между организмом и устройством возник надёжный канал связи. Кардиостимуляторы и кохлеарные аппараты стали первыми имплантируемыми устройствами, способными активно взаимодействовать с внутренними системами человека.

Вместо сердца пламенный мотор

Искусственное сердце — своего рода символ в области разработки имплантируемых органов. Дело в том, что мышечная ткань сердца млекопитающих не способна регенерировать. Если её клетки погибают, их место занимают клетки соединительной ткани — образуется рубец. В этом кроется причина тяжёлых последствий инфаркта: соединительная ткань не может выполнять работу мышечной, и появляется угроза развития хронической сердечной недостаточности. Вполне логично, что создание искусственного сердца стало одной из самых важных биоинженерных задач.Впервые врачи попытались заменить сердце технологическим аналогом в 1969 году — больному имплантировали сердечный насос. Это устройство нельзя назвать полноценным органом, оно было нужно только для того, чтобы поддержать жизнь пациента, пока не найдётся подходящее донорское сердце. Пациент прожил с искусственным органом 64 часа, дождался пересадки, но вскоре умер от воспаления лёгких.

К началу XXI столетия инженерам и хирургам удалось добиться того, чтобы искусственное сердце поддерживало жизнь пациента на протяжении года и даже дольше. Тем не менее создать полноценную замену органа пока не получается — остаётся целый ряд нерешённых проблем. Основные — проблемы с энергопитанием и запасом прочности. Искусственному органу нужен внушительный аккумулятор, требующий регулярной подзарядки, и способ передачи энергии от внешних источников внутрь тела. То есть нечто вроде провода, а это уже ворота для всевозможных инфекций. Учёные пытаются наладить передачу энергию беспроводными методами, но эти попытки не выходят за рамки экспериментов. Кроме того, искусственное сердце должно выдерживать постоянную нагрузку в течение длительного времени. При среднем пульсе — 50−90 ударов в минуту — сердце в сутки делает 80−120 тысяч сокращений. Клапаны искусственного сердца от такого темпа быстро приходят в негодность, поэтому некоторые конструкции не предусматривают сокращений — они создают постоянный поток крови.Другие задачи, которые пока не решены, — защита эритроцитов от разрушения и, самое главное, регулирование нагрузки. Живое сердце оперативно реагирует на изменения в работе организма: если человек побежит, оно заработает интенсивнее, если остановится — сердцебиение замедлится. Добиться от искусственного органа столь же быстрой и чуткой реакции пока не удаётся.

Арне Ларссон — первый пациент, которому в 1958 году был установлен электрокардиостимулятор. Умер в 2001 году в возрасте 86 лет от рака. За свою жизнь успел сменить 26 аппаратов / Professor Marko Turina, University Hospital, Zurich / [CC BY 3.0]Обнадёживает то, что ключевые проблемы во многом упираются в техническое несовершенство прибора, а не его принципиальную несовместимость с организмом. Впрочем, сейчас учёные всё активнее работают над тем, чтобы создать не механический, а биологический аналог сердца. Например, пробуют выращивать клетки сердечной мышцы в лаборатории или печатать на специальных 3D-принтерах. Вполне возможно, что разработка искусственных органов пойдёт именно по этому пути.

Полное подключение

Сказочным одноногим пиратам не так повезло с протезами, как Железному Дровосеку. Заставить искусственную конечность реагировать на сигналы мозга подобно утраченной невероятно сложно, но медики и тут достигли кое-каких успехов. Специалисты по нейропротезированию разработали и уже опробовали методы целевой мышечной и сенсорной реиннервации. Целевая мышечная реиннервация предполагает «переподключение» уцелевшего двигательного нерва к периферической мышце. Например, нерв руки хирургически подводят к мышце груди или плеча, а уже к реиннервированному участку подключают наружные электроды. В итоге протез фиксирует команду, пришедшую по двигательному нерву, и исполняет её. Чтобы дать человеку возможность ощущать через искусственную конечность тепло или давление, уцелевший чувствительный нерв подводят к участку кожи — это сенсорная реиннервация. Датчики на бионическом протезе фиксируют прикосновение и передают информацию об этом тому участку кожи, к которому «подключён» нерв. То есть фактически человек чувствует прикосновение к руке, например, кожей на груди.

Первый подобный протез был установлен в 2003 году инженеру-электрику Джесси Салливану, лишившемуся в результате несчастного случая обеих рук. Ещё один широко известный пример — Мелисса Лумис, потерявшая руку в 2015 году. Мелисса стала добровольцем программы по созданию бионического протеза практически сразу после ампутации, что облегчило и ускорило освоение искусственной руки. Организм ещё не успел привыкнуть к утрате конечности и сохранил нормальную работу управляющих ею нервов.Ещё одна область применения нейропротезирования — восстановление нарушенных нервных связей, например, после инсульта или травмы позвоночника. Здесь наиболее известен пример Билли Кочевара, которого парализовало после аварии. Учёные Кейсовского университета Западного резервного района предложили ему опробовать такой способ восстановления: подключить электроды к нервам и мышцам правой руки и вживить два импланта в моторную кору мозга, отвечающую за выполнение движений. Импланты должны были улавливать сигнал мозга к движению и передавать его электродам, которые активировали бы нужные мышцы. Эксперимент удался: после десятилетия полной неподвижности Билл Кочевар почувствовал, что способен сам управлять своей рукой. Кому-то его успехи покажутся незначительными, но для человека, который долгие годы был полностью парализован, возможность хотя бы самостоятельно пообедать — это уже огромный шаг вперёд.

Создание искусственных конечностей не единственная область активных исследований. Если кохлеарные имплантаты способны восстанавливать слух, то логично попробовать решить тем же способом проблему утраты зрения — основного для человека канала восприятия. Однако всё оказалось не так просто.

Учёные уже давно пытаются создать искусственный глаз, но пока далеки от успеха. Самый известный визуальный протез — имплантат сетчатки Argus II, который производит американская компания Second Sight. Он работает как раз по принципу кохлеарного аппарата: передаёт переведённые в электрический сигнал визуальные данные на целую сеть электродов, подключённых к зрительному нерву. Изображение генерирует камера, вмонтированная в тёмные очки, — именно так внешне выглядит протез. Но даже он полностью не избавляет от слепоты. Argus II предназначен для лечения генетического дегенеративного заболевания — пигментного ретинита. Имплантат задействует оставшиеся здоровые клетки сетчатки, и в лучшем случае пациент начинает различать крупные буквы. Впрочем, этого достаточно, чтобы человек гораздо увереннее себя чувствовал и лучше ориентировался в пространстве. С момента разработки имплантат Argus II получили более 350 людей по всему миру, включая как минимум двух россиян.

Впрочем, в области восстановления зрения есть и другие задачи — например, исправление врожденных патологий, связанных с восприятием цвета. Здесь стоит упомянуть Нила Харбиссона, который страдал ахроматопсией: весь мир для него был раскрашен в оттенки серого. При этом Нил с детства увлекался рисованием и даже закончил институт изобразительных искусств. В 2003 году Харбиссон стал добровольцем в исследовательской программе Eyeborg, предполагавшей использование звуковых частот для восприятия цвета. Вначале это был просто наушник с камерой и процессором, но в 2004 году Харбиссон добился того, чтобы ему в череп имплантировали антенну с камерой, которая бы преобразовывала поступающие цветовые данные в вибрации, воспринимаемые внутренним ухом. Художник долго искал хирурга и наконец нашёл того, кто сделал ему операцию на условиях анонимности. Помимо антенны, в костную ткань черепа вживили чип для беспроводной передачи данных, чтобы друзья могли отправлять ему информацию о цвете через интернет. По словам Харбиссона, вначале у него часто болела голова из-за постоянного шума, но со временем мозг к этому приспособился. В 2008 году антенну усовершенствовали, чтобы художник мог воспринимать невидимые для человека части спектра — ультрафиолетовую и инфракрасную.Нил сам себя называет первым официально признанным киборгом: он выдержал суровую бюрократическую битву, чтобы для оформления паспорта приняли его фото с антенной.

Быстрее, выше, сильнее

Пока мы говорили в основном о восстановлении утраченных органов и функций, но как насчёт чего-то более радикального? С помощью имплантата Харбиссон расширил свои способности — и возникает вопрос, насколько далеко можно продвинуться в этом направлении. Человек не способен различать свет ультрафиолетового и инфракрасного спектра; мозг не знает, как обрабатывать и представлять информацию о нём. Способен ли мозг адаптироваться к новым и непривычным потокам данных?

Оказалось, что может. Частично это доказывает эксперимент Харбиссона с восприятием волн ультрафиолетового и инфракрасного спектра — Нил воспринимает их просто как ещё пару типов звука. А частично — эксперимент учёных из Международного исследовательского института телекоммуникаций, проведённый в 2018 году. Они дали обычным людям возможность через нейроинтерфейс управлять третьей, бионической, рукой и проверили, насколько хорошо та выполняет команды. Добровольцы надевали шапочку с электродами, считывавшими сигналы мозга; компьютер получал эти сигналы, расшифровывал и передавал команды искусственной конечности. Двумя руками участники держали доску, по которой катался шарик, а третьей пытались взять какой-либо предмет. Одни справлялись с этим хорошо, другие — хуже, но главное, что человек в принципе на это способен. Возможно, успех зависит от способности каждого участника концентрироваться на разных вещах одновременно. Впрочем, на многое влияет и качество работы нейроинтерфейса: в эксперименте использовали неинвазивный интерфейс, с внешними электродами. Такие в целом работают гораздо хуже, чем инвазивные — те, что принимают сигналы с электродов, вживлённых в мозг. Однако вживление требует хирургического вмешательства, которое нежелательно без серьёзных медицинских показаний.

Робот-хирург, разработанный Neuralink / Elon Musk, Neuralink, статья https://doi.org/10.1101/703801 / [CC BY-ND 4.0]За эту проблему всерьёз взялся известный предприниматель Илон Маск. В 2017 году он создал компанию Neuralink, стремящуюся объединить компьютер с человеческим мозгом. В июле 2019 года Маск продемонстрировал результаты двухлетней работы — результаты промежуточные, поскольку основной целью презентации было привлечь внимание к проекту, заинтересовать им учёных и инвесторов. Специалисты Neuralink хотят усовершенствовать инвазивный метод, сделать его более безопасным, чтобы в перспективе такую процедуру мог себе без риска позволить даже здоровый человек. Они разработали робота-хирурга и тонкие нити — электроды, которые робот вшивает в мозг. На презентации Маск даже показал подопытную мышку с USB-разъёмом на голове. Однако по промежуточным результатам видно, что даже до ближайшей цели — создания доступного и безопасного нейроинтерфейса для парализованных людей — нам пока далеко.

Человеческое тело — сложный и тонко настроенный механизм, и вмешиваться в его работу чрезвычайно опасно. На современном этапе развития науки и технологий это оправданно только в тех случаях, когда речь идёт о здоровье и восстановлении утраченных функций. Чтобы любой человек мог заполучить дополнительную пару рук или научиться подключаться к всемирной сети без смартфона, нужно посвятить исследованиям и экспериментам ещё очень много лет.