Разработка нейронных интерфейсов для восстановления зрительных и слуховых функций

Связывание биологии и технологии: эволюция нейронных интерфейсов для сенсорного восстановления

Потеря зрения или слуха глубоко влияет на качество жизни, ограничивая независимость, общение и доступ к миру. На протяжении десятилетий единственными вариантами для людей с тяжелыми сенсорными нарушениями были вспомогательные устройства, такие как трости, собаки-поводыри или язык жестов. Однако быстрое развитие технологии нейронного интерфейса переписывает это повествование. Создавая прямую связь между электронными устройствами и нервной системой, эти системы стремятся восстановить сенсорную функцию способами, ранее ограниченными научной фантастикой. В этой статье исследуется текущее состояние нейронных интерфейсов для восстановления зрительных и слуховых функций, исследуются основные принципы, клинические достижения, постоянные проблемы и многообещающий горизонт имплантатов следующего поколения.

Понимание нейронных интерфейсов: основа

Нейронные интерфейсы — также известные как интерфейсы мозг-компьютер (BCI) или нейропротезы — это устройства, которые либо записывают нейронные сигналы от мозга или периферических нервов, либо стимулируют нейронную ткань вызывать ощущение или движение. Для сенсорного восстановления критической функцией является стимуляция: доставка точных электрических импульсов в соответствующие нейронные структуры для воссоздания восприятия света, формы, звука или речи. Эти системы состоят из трех основных компонентов: датчика (например, камеры или микрофона), процессора, который преобразует сенсорный вход в стимулирующие паттерны, и электродного массива, который доставляет электрические сигналы в целевую нейронную ткань. Качество восстановленного ощущения в значительной степени зависит от разрешения электродного массива, точности алгоритма кодирования и способности мозга адаптироваться к новому входу.

Восстановление зрения: от чипов сетчатки до кортикальных имплантатов

Визуальные нейронные интерфейсы должны обходить поврежденные или дегенерированные структуры вдоль зрительного пути — чаще всего сетчатку в таких условиях, как пигментный ретинит или возрастная макулярная дегенерация. Появились два основных подхода: имплантаты сетчатки, которые обращаются к переднему концу пути, и корковые имплантаты, которые питаются непосредственно в центры обработки зрения мозга.

Имплантаты сетчатки: прямая стимуляция выживших клеток

Имплантаты сетчатки являются наиболее клинически продвинутыми визуальными нейропротезами. Эти устройства хирургически размещены на поверхности сетчатки или в подретинальном пространстве. Типичная система, такая как Argus II (ныне прекращена, но исторически значима) или PRIMA (Pixium Vision), состоит из внешней камеры, установленной на очках, видеопроцессора, надетого на тело, и микроэлектродного массива, который стимулирует оставшиеся биполярные клетки или ганглиозные клетки в сетчатке. Внешняя камера захватывает изображения, которые обрабатываются в модели стимуляции и передаются по беспроводной сети на имплантат. Пользователи сообщают о восприятии вспышек света (фосфены) и могут обнаруживать простые формы, движение и высококонтрастные края. Не восстанавливая нормальное зрение, эти имплантаты позволяют людям находить объекты, перемещаться по дверным проемам и читать большой текст. Клинические данные показывают, что острота зрения, достигнутая с помощью имплантатов сетчатки первого поколения, находится в диапазоне от примерно 20/1200 до 20/2000, намного ниже законной слеп

Ключевые ограничения включают необходимость в остаточных здоровых клетках сетчатки — пациенты с полной потерей фоторецепторов, но неповрежденной внутренней сетчаткой являются кандидатами. Кроме того, поле зрения часто мало, и восприятие остается зернистым и с низким разрешением. Текущие исследования направлены на увеличение количества электродов (целевое назначение тысяч электродов), улучшение доставки энергии и разработку гибких материалов, которые лучше соответствуют кривизне сетчатки. Обзор 2020 года в Журнале нейронной инженерии подчеркивает, что хроническая стабильность имплантации и реакция ткани остаются значительными препятствиями.

Кортикальные протезы: полностью обходить глаза

Для лиц, у которых зрительный нерв или сетчатка непоправимо повреждены, корковые имплантаты предлагают альтернативу, стимулируя зрительную кору напрямую. Ранние работы Бриндли и Добелла в 1960-х и 70-х годах продемонстрировали, что электрическая стимуляция затылочной доли производит локализованные фосфены. Современные корковые протезы, такие как система Ориона (Второе зрение) или проект Кортикального визуального протеза в Университете Пенсильвании, используют массивы проникающих микроэлектродов или поверхностных электродных сеток для создания узоров фосфенов. Пользователи могут научиться интерпретировать эти узоры как формы, буквы или контуры объектов.

Проблема с кортикальной стимуляцией заключается в сложности зрительной коры. Слишком широкая стимуляция может вызывать перекрывающиеся фосфены или непреднамеренные ощущения (например, ощущения движения глаз, боль). Представление визуального поля в коре неоднородно и сильно взаимосвязано. Достижения в массивах электродов высокой плотности (например, 1024-канальные массивы Юты) и сложные парадигмы стимуляции, имитирующие естественное нейронное кодирование, демонстрируют перспективы в доклинических исследованиях. Основная веха произошла в 2020 году, когда исследователи из Университета Юты и Джонс Хопкинс продемонстрировали, что кортикальный имплантат позволил слепым участникам воспринимать сложные формы, такие как буквы и линии. Однако долгосрочная безопасность и риск повреждения тканей от хронической микростимуляции остаются активными областями исследования. Статья 2021 года в Cell описывает прогресс в сочетании оптогенетики с кортикальными имплантатами для более точного таргетинга — в настоящее время ограничена моделями животных.

Восстановление слуха: кохлеарные и слуховые имплантаты мозгового ствола

Слуховые нейронные интерфейсы достигли замечательного клинического успеха, кохлеарный имплантат является наиболее широко распространенным нейропротезом в истории. Эти устройства восстановили доступ к звуку и речи для сотен тысяч людей во всем мире.

Кохлеарные имплантаты: золотой стандарт

Кохлеарные имплантаты (КМ) являются эталоном эффективности нейронного интерфейса. Система включает в себя внешний микрофон, речевой процессор и передатчикную катушку, а также внутренний приемник и электродный массив, вставленный в scala tympani улитки. Массив стимулирует спиральные ганглиозные клетки слухового нерва, которые затем посылают сигналы в ствол мозга и слуховую кору. Современные КМ используют до 22 электродов, каждый из которых представляет собой различную частотную полосу на основе нотопической организации улитки (высокочастотные звуки у основания, низкочастотные у вершины). Звук обрабатывается путем извлечения ключевых спектральных и временных признаков и перевода их в электрические импульсы.

Клинические результаты широко варьируются, но в целом превосходны. Постлингвально оглохшие взрослые часто достигают высокого уровня понимания речи в тишине, со многими способными проводить телефонные разговоры. Дети, имплантированные до 2 лет, обычно развивают соответствующие возрасту навыки разговорного языка. Двусторонняя имплантация улучшает локализацию звука и прослушивание в шуме. Ограничения включают плохую производительность в шумных средах (хотя новые алгоритмы и двусторонние системы смягчают это), потерю остаточного слуха в имплантированном ухе (операция по сохранению слуха улучшается) и неспособность точно передавать музыкальный слух. Веб-сайт FLT:0] FDA обеспечивает авторитетный обзор утвержденных устройств и критериев кандидатуры. Текущие исследования сосредоточены на расширении частотного диапазона, разработке полностью имплантируемых систем (без внешнего оборудования) и включающих оптическую или оптогенетическую стимуляцию для более тонкой дискриминации частоты.

Аудиторные имплантаты мозгового стебля: для некохлеарных кандидатов

Слуховые имплантаты ствола мозга (ABI) используются, когда слуховые нервы отсутствуют или не функционируют — обычно у пациентов с нейрофиброматозом типа 2 (NF2), у которых есть двусторонние вестибулярные шванномы. Массив электродов ABI помещается на поверхность кохлеарного ядра в стволе мозга во время операции по резекции опухоли. Стимулирование производит звуковые восприятия, но результаты значительно хуже, чем с кохлеарными имплантатами. Большинство пользователей ABI достигают экологической звуковой осведомленности и помощи в чтении губ, но только меньшинство получают распознавание речи с открытым набором. Недавние инновации включают проникающие электроды, которые достигают более глубоких слоев кохлеарного ядра, а также внутриядерные имплантаты, которые нацелены на вентральное кохлеарное ядро более точно. Исследовательские группы в Европе и США изучают использование слуховых имплантатов среднего мозга (в нижнем колликуле) в качестве альтернативы, с некоторыми обнадеживающими результатами в ограниченных исследованиях.

Улучшение результатов АБИ является приоритетом, потому что многие пациенты с повреждением слухового нерва не могут извлечь выгоду из CIs. Разрабатываются передовые конструкции электродов, стратегии стимуляции, основанные на моделях животных, и интраоперационный мониторинг для оптимизации размещения. Недавний обзор в Current Opinion in Otolaryngology охватывает последние хирургические и инженерные подходы.

Общие проблемы сенсорных нейронных интерфейсов

Несмотря на успехи, остаются значительные препятствия в создании более эффективных, долговечных и широко доступных нейронных интерфейсов.

Биосовместимость и долгосрочная стабильность

Имплантированные электроды — это инородные тела, которые запускают иммунный ответ. В мозге или сетчатке глиальные клетки инкапсулируют электрод, увеличивая импеданс и снижая эффективность стимуляции в течение месяцев до лет. Хроническое воспаление может деградировать нервную ткань и вызывать сбой электрода. Исследователи разрабатывают покрытия, такие как проводящие полимеры, гидрогели и композиты из углеродных нанотрубок, для улучшения интерфейса электрода-ткани и снижения реакции инородного тела. Гибкие тонкопленочные электроды, которые соответствуют механическим свойствам нервной ткани, помогают минимизировать повреждение и образование шрама глиала. Материалы также должны выдерживать солевую, химически агрессивную среду тела без коррозии.

Разрешение сигналов и кодирование

Восстановление естественного сенсорного восприятия требует стимуляции высокого разрешения. Для зрения необходимы тысячи одновременных фосфенов для формирования когерентного изображения — токовые системы предлагают лишь часть этого. Для слуха, тока по месту и времени ограничены количеством независимых каналов и распространением электрического тока. Стратегии увеличения разрешения включают: микроэлектродные массивы высокой плотности с тысячами контактов; оптическую или оптогенетическую стимуляцию, которая может нацеливаться на конкретные типы клеток и уменьшать распространение тока; и передовые алгоритмы кодирования, которые имитируют естественный нейронный код (например, с использованием электрических импульсов, которые копируют временные паттерны возбуждения слухового нерва). Машинное обучение применяется для оптимизации моделей стимуляции в реальном времени на основе обратной связи с пользователем. В визуальных протезах алгоритмы, которые усиливают края, движение и контраст от корма камеры улучшают информационное содержание.

Хирургические и практические соображения

Имплантационная хирургия несет риски: инфекция, кровотечение, повреждение окружающих структур (ущерб от улитки, кровоизлияние в кору) и миграция устройства. Операция имплантата сетчатки деликатна, часто требует витрэктомии и точного размещения электродов. Кортикальные имплантаты проникают на поверхность мозга, с риском судорог и внутричерепного кровотечения. Исследуются неинвазивные альтернативы, такие как транскутанная ультразвуковая стимуляция (фокусированное ультразвуковое исследование таламуса или коры) или магнитогенетика, но они далеки от клинического применения. Для слуха полностью имплантируемые кохлеарные устройства (с внутренним микрофоном) устраняют внешнее оборудование, улучшая косметический внешний вид и удобство использования во время сна или купания.

Стоимость и доступность

Нейронные интерфейсы дороги. Система кохлеарных имплантатов (устройство плюс операция плюс реабилитация) может стоить от 50 000 до 100 000 долларов. Имплантаты сетчатки были аналогично оценены. Страховое покрытие широко варьируется, и многие пациенты в условиях с низкими ресурсами не имеют доступа. Сокращение производственных затрат, разработка модульных систем и обучение хирургических команд во всем мире имеют важное значение для преодоления разрыва в долевом участии. Развитие беспроводной доставки энергии и передачи данных может упростить проектирование и снизить риск заражения, потенциально снижая затраты.

Новые рубежи и будущие направления

Область быстро развивается по нескольким направлениям, обещая значительные улучшения в восстановлении сенсорных функций в течение следующего десятилетия.

Оптогенетика и химиогенетика

Вместо электрической стимуляции оптогенетика использует светочувствительные белки (опсины), экспрессируемые в целевых нейронах. Вирус доставляет ген опсина к оставшимся клеткам сетчатки или корковым нейронам. Сияющий свет (через микро-LED-массив, имплантированный в глаз или кору) может затем возбуждать или ингибировать эти клетки с высокой временной точностью и специфичностью клеточного типа. Этот подход позволяет избежать текущего распространения электрической стимуляции и может достичь более высокого разрешения. В настоящее время проводится клиническое исследование оптогенетических имплантатов сетчатки (GenSight Biologics) и ранние результаты показывают некоторое восприятие света у слепых пациентов. ClinicalTrials.gov идентификатор NCT02556736 детализирует продолжающееся исследование фазы I/II. Аналогичная работа прогрессирует для оптогенетики слухового нерва, где быстрые опсины могут запускать слуховые нервные волокна с частотной специфичностью.

Искусственный интеллект и системы замкнутого цикла

Машинное обучение трансформирует то, как нейронные интерфейсы обрабатывают и кодируют информацию. Для визуальных протезов глубокие нейронные сети могут анализировать ввод камеры и генерировать стимулирующие паттерны, которые подчеркивают заметные особенности (например, лица, препятствия, текст). Для кохлеарных имплантатов речевые процессоры на основе ИИ могут адаптироваться к шумной среде, улучшая речь при подавлении фоновых звуков. Системы замкнутого цикла - где имплант записывает нейронные реакции и соответствующим образом настраивает стимуляцию - могут оптимизировать восприятие в реальном времени. Это особенно актуально для корковых имплантатов, где реакция мозга на стимуляцию может контролироваться и использоваться для уточнения настроек электродов. Работа в Университете Брауна и других учреждениях разрабатывает двунаправленные BCI, которые стимулируют и записывают, позволяя адаптивный контроль.

Миниатюризация и беспроводные технологии

Будущие нейронные интерфейсы будут меньше, более энергоэффективными и полностью беспроводными. Устройства миллиметрового масштаба с интегральными схемами, микроэлектродами и сбором энергии (например, из индуктивной связи или ультразвука) могут быть введены или имплантированы с помощью минимально инвазивных процедур. Концепция «нейронной пыли» — крошечные беспроводные датчики и стимуляторы, разбросанные по коре головного мозга — преследуется исследователями в Калифорнийском университете в Беркли и Стэнфорде. Для сетчатки разрабатываются полностью внутриглазные имплантаты без внешних компонентов (камера и обработка всего внутри глаза). В слухе ультразвуковая передача через череп может питать имплантат, полностью скрытый под кожей.

Комбинированная сенсорная реконструкция и мультимодальная интеграция

Некоторые люди имеют как зрение, так и потерю слуха. Разработчики изучают комбинированные слухово-визуальные имплантаты, которые используют кросс-модальную пластичность - способность мозга перепрофилировать области, обычно используемые для одного чувства, для обработки входов от другого. Например, визуальный протез может обеспечить пространственные сигналы, которые интегрируются со слуховым входом от кохлеарного имплантата, улучшая навигацию и осведомленность. Мультимодальная обратная связь (например, тактильная, слуховая, визуальная) может улучшить результаты реабилитации.

Этические соображения и социальное воздействие

По мере того, как нейронные интерфейсы становятся более способными, возникают этические вопросы. Кто должен иметь доступ к этим изменяющим жизнь технологиям? Каковы долгосрочные риски хирургии мозга и хронической стимуляции в развивающихся мозгах? Должны ли мы предлагать имплантаты детям, которые еще не могут дать согласие? Повышение способностей за пределами нормального сенсорного восстановления (например, «сверхчеловеческое» зрение или слух) вызывает обеспокоенность по поводу справедливости и идентичности. Регулирующие органы, такие как FDA, разрабатывают рамки для адаптивных BCI и обновлений программного обеспечения для имплантируемых устройств. Инициатива NHI BRAIN финансирует исследования в области ответственных инноваций, включая этические руководящие принципы для тестирования на людях.