ВОПЛОЩЕННЫЕ КИБОРГИ
Британский ученый Кэвин Уорвик на рубеже веков шокировал общественность своими опытами по сращиванию человеческого мозга с компьютерными микросхемами. Можно ли включать электрические приборы силой мысли, не обладая сверхъестественными способностями? Над этим задумался исследователь и вживил себе в голову микрочип, настроенный на волну микросхемы электровыключателя. Теперь, чтобы осветить помещение, ему не нужно нажимать на кнопку или браться за дистанционный пульт. То же - с переключением программ телевизора.
Британский ученый Кэвин Уорвик
В прошлом году Ворвику был вживлен в руку чип, способный поддерживать связь с компьютером. Передаваемой информации было достаточно, чтобы компьютеризованный дом профессора узнавал его и выполнял некоторые действия: открывал двери или включал персонального компьютер, когда ученый приближается к нему.
Момент проведения операции по имплантации микрочипа.
На этот раз Ворвик пошёл ещё дальше. Электронный чип длиной около 3 миллиметров был вшит в левое запястье, а 100 электродов вживлены в срединный нерв. Соединительные провода были проведены под кожей в предплечье, после чего Кевину были наложены швы.
В случае успеха операции, ученый надеется доказать возможность передачи нервных импульсов компьютеру и их последующего воспроизведения. Записав последовательность импульсов, которую порождает движение руки, и воспроизведя её, компьютер может заставить руку двигаться против воли человека.
А как передать привет жене, не пользуясь телефоном? Нет ничего проще: он вмонтировал в себя еще одну микросхему, а другую - в руку жене. И в любой момент, когда Кэвин испытывает какие-то эмоции, связанные с супругой, она это сразу ощущает. Правда, кибернетическая связь оказалась не очень совершенной: миссис Ирэна Уорвик не могла разобрать, какую именно эмоцию, связанную с ней, переживает муж в данный момент. Наплыв нежных чувств или раздражение, связанное с утренним спором за завтраком? К тому же, поскольку ученый уделял немало времени размышлениям о супруге, постоянное напоминание об этом стало ее раздражать, и, в конце концов миссис Ирэна в вежливо- ультимативной форме попросила супруга изъять из нее микросхему.
Так или иначе, эксперименты Уорвика - это уже не просто чудачества ученого-одиночки, а новый виток испытаний, через которые, судя по всему, предстоит пройти человечеству. Недаром весь мир заговорил о том, что киборгизация человечества входит в решающую стадию. "Уорвик - первый киборг Земли", - сообщили все СМИ мира, рассказывая о его опытах. И, конечно, преувеличили. Поскольку людей и животных с "элементами" роботов в мозгу или теле и без того уже немало.
Уже в ближайшие месяцы он планирует имплантировать себе несколько микросхем, которые позволят улавливать ультразвук, инфракрасный свет, рентгеновские и радиоволны. Что это значит? Да ничего особенного. Просто он сможет, например, видеть в темноте и сквозь стены, слышать недоступное другим людям... "А немного позднее, - рассказывает экспериментатор, - я попробую напрямую соединить свой мозг с компьютером. Это позволит мне мгновенно перемножать и делить миллиардные числа, мгновенно запоминать большие куски текста. Не придется лазить в энциклопедию, чтобы узнать что-то: достаточно будет в уме связаться с Интернетом. Я не согласен с теми, кто пытается противопоставлять мозг человека и машины и ищет тут какой-то конфликт. Их усилия нужно соединять. Человек вполне может "присвоить" себе способности машины", - считает Уорвик. Так или иначе, прецедент Кэвина Уорвика заставляет задуматься над проблемами, встающими перед человечеством.
Британец Уорвик, экспериментируя на самом себе, не обязан, в отличие от коллег, блюсти врачебную тайну и вправе информировать общественность о результатах своих опытов.
Чикагские ученые создали миногу на колесах и с электронным глазом. Машина, размером с пачку сигарет, состоит из комбинации мозга миноги, который сохраняется в специальном соленом растворе, электронного глаза, микропроцессора и колес. Все, что умеет делать этот киборг, - перемещаться на свет. Происходит это следующим образом: электронный глаз обнаруживает источник света и передает сигнал в мозг миноги; тот, в свою очередь, посредством микропроцессора, управляет колесами для того, чтобы к этому источнику света приблизиться.
Одной из главных проблем электронной миноги недолговечность одного из ее компонентов: мозг рыбы живет в соленом растворе лишь несколько дней и после этого требует замены на новый, так что для длительного функционирования киборгу нужен большой запас миног.
Разумеется, найти использование светолюбивому киборгу, мягко говоря, будет не легко, так как все то же самое, только лучше, может делать уже существующая электроника. Между тем, важен сам прецедент его создания.
"До недавнего времени люди рассматривали биологические нервные системы как предмет для подражания в своей технологии, - говорит Сандро Мисса-Ивальди (Sandro Mussa-Ivaldi), один из участников проекта. - Теперь мы сделали еще один шаг вперед, и начали использовать саму нервную систему".
Впоследствии, это достижение может привести, в частности, к созданию более совершенных протезов. Кроме того, с развитием микроэлектроники разработанную технологию можно будет применить практически ко всем живым организмам, что открывает большие перспективы перед учеными.
Очень интересный эксперимент проводит Хью Герр (Hugh Herr) со своими коллегами из Биомеханотронной группы Массачусетского Технологического иститута. Если можно так выразиться, они поставили своему роботу биопротез на основе мышц, приводящий в действие всю конструкцию, названную автором Биомеханотронная Рыба (Biomechatronic Fish).
Устроен робот нехитро. Состоит он из микропроцессора, который вырабатывает электрические импульсы, воздействующие на мышцы лягушки. В результате мышцы начинают сокращаться, заставляя робота двигаться и, надо сказать, весьма неплохо. Получает энергию этот агрегат следующими путями: электроника - от двух литиевых батареек, а мышцы потребляют глюкозу.
Одной из целей эксперимента является применение в протезах настоящих мышц, которые позволят своему владельцу гораздо более полноценную замену. Несколько иной подход к той же проблеме состоит в использовании искусственных мышц на основе полимерных волокон. Но как заметил глава исследовательской лаборатории приводов NASA, Езеф Бар-Коэн, эти мышцы весьма не долговечны и очень легко окисляются. Поэтому решение задачи с помощью настоящих мышц может быть весьма перспективным, к тому же протезы на основе их основе способны привнести достоинства живых тканей: адаптация, саморегуляция, восстановление.
Робот, контролируемый мозгом рыбы.
«Живет» рыба пока недолго - около 7 часов. Мышцы, выведенные за пределы тела, дают о себе знать. Однако эта проблема решается. Ученый готовит специально выращенную мышечную культуру, которая сможет функционировать несколько месяцев. Также планируется создание желудка и системы регуляции для поддержания больших мышц.
Этот проект финансируется агентством DARPA, которое очень заинтересовано как решением вопроса с протезированием, так и разработкой эффективного экзоскелета для солдат.
Ученым из университета штата Нью-Йорк удалось приблизить нас всех к происходящему в фантастических фильмах. Создан универсальный солдат - радиоуправляемая крыса. Она идет прямо, поворачивает, спускается и поднимается по лестнице - все по команде человека. Человек при этом может находиться на расстоянии до семисот метров. Разработчики уверены, что крыса практически идеальная основа для биоробота.
"Вы понимаете, обычные роботы - они могут преодолевать разные препятствия, передвигаться по разным поверхностям, но не по всем. А крыса - она живет на этой планете - она может двигаться где угодно", - убежден в уникальности своих подопечных профессор Санжив Тальвар.
Крыса-киборг.
Принцип действия крыс-киборгов очень похож на радиоуправляемые модели автомобилей. В мозг грызуна вживлены три электрода толщиной в человеческий волос. Один из них связан с центром удовольствия, а два других ведут к тем отделам мозга, которые реагируют на сигналы от усов: с их помощью животное ориентируется в пространстве.
На спине крысы закреплен небольшой беспроводный радиопередатчик, получающий команды от пульта управления. Теперь стало возможным практически невероятное: крыса лазает по деревьям, выходит на ярко освещенную поверхность. Кроме того, теперь усовершенствованный грызун способен обнаружить взрывчатку за несколько десятков метров, а размеры позволяет ему пробираться в труднодоступные места.
Именно эти качества и привлекают специалистов из Министерства Обороны США. Однако ученые очень надеются, что их новый продукт - крыса-киборг - будет использоваться в мирных целях.
"Это может стать опасным инструментом в чьих-то руках, - пессимистично предполагает профессор Тальвар. - Мало того, технология имплантирования электродов будет работать практически с любыми другими животными. Или даже с птицами. Представляете, это будет управляемое воздушное судно, не вызывающее подозрений и способное переносить что угодно". Но радиоуправляемые птицы - в будущем.
Сегодня ученые намерены использовать крыс-роботов во время реальных спасательных операций - для поиска людей под завалами.
Перенесение личности человека на другой носитель - еще одна проблема, стоящая перед нейрокибернетикой. Pаботами В.М. Глyшкова, Э.М. Kyссyля, H.М. Амосова, П.K. Анохина, Г.А. Ваpтаняна, Г.P. Иваницкого, Е.А. Либеpмана, А.И. Галyшкина, Г. Kyзнецова, H.H. Латыпова, А. Болонкина, М. Моpа, K. Винтеpа, и дp, заложены основы наyки, изyчающей возможности "пеpеселения" личности человека из стаpеющего оpганизма в молодой биоклон (или кибоpг), пpи посpедстве пpижизненного нейpокибеpнетического самооpганизyющегося yстpойства (искyсственного мозга).
Основная проблема при перенесения личности - это проблема идентичности личности. Дело в том, что мы до сих пор не знаем, что такое личность и однозначно ли определяет её только набор нейронных связей, памяти и стереотипов поведения.
Решением здесь может являться постепенная, по мере необходимости, замена элементов тела на дублирующие и расширяющие функции устройства с параллельной фиксации динамических параметров работы мозга и переносом их в нейрокомпьютер, для последующей замены при отмирании клеток мозга, способом постепенного перемещения. То есть создание киборгов. И мы стоим на пороге этого события.
Сегодня уже синтезированы вещества, позволяющие ткани нерва обрастать контакт микросхемы. Немецким ученым удалось соединить ряд живых нервных клеток с элементами кремниевого чипа. Таким образом, они создали первую в мире сложную схему, сочетающую живые и неживые компоненты.
Двое исследователей Института биохимии Макса Планка посредством микроперегородок из полимида сумели зафиксировать около 20 нейронов улитки на кремниевом чипе. Между собой нейроны парами соединили через синапсы. Пары были соединены с полевыми транзисторами чипа, образуя схемы кремний-нейрон-нейрон- кремний. Входной электрический импульс стимулирует первый нейрон, далее через синапс сигнал проходит во второй, постсинаптическое возбуждение которого модулирует ток транзистора, образуя выходной сигнал компонента из двух транзисторов и двух нейронов.
Соединение нервных клеток с кремниевым микрочипом.
Данный эксперимент имеет большое значение для определения принципиальной возможности функционирования подобных систем. Нейроэлектроника долго подбиралась к этому достижению. В будущем гибридные схемы из комбинаций живых и неживых элементов позволят осуществить прорыв в медицине, заменяя поврежденные естественные биомеханизмы человека на искусственные имплантанты, управляемые нервной системой. Многим людям можно будет вернуть утраченные или изначально отсутствующие функции: зрение, слух, подвижность. Эти функции даже можно будет заметно усилить по сравнению с обычными. Возможно, кому-то не помешают дополнительные умственные способности или, скажем, память (вспомним фильм "Джони-мнемоник").
С другой стороны, гибридные элементы сделают реальностью киборгов - роботов, приближающихся по своим способностям к человеку. Пока сделан небольшой, но принципиальный шаг навстречу технологиям будущего.
Сейчас немецкие ученые уже работают над созданием схемы из 15 тысяч транзисторно-нейронных элементов. Для создания больших схем необходимо научиться более точно сопрягать синапсы нейрона с транзисторами. А российским ученым удалось создать первую в мире интеллектуальную машину, способную выполнять функции человеческого мозга. В основе искусственного интеллекта, названного брейнпьютером, лежит модель клетки головного мозга человека. Идея создания искусственного "мозга" принадлежит российскому ученому - академику международной академии информатизации Виталию Вальцелю
Сейчас уже трудно поверить, что и в области киборгизации человека мы были когда-то впереди планеты всей. Первые киборги появились в 80-е годы именно в СССР. Поскольку во времена реализации Продовольственной программы был актуален девиз "Достижения кибернетики - сельскому хозяйству", то первыми "киборгинями" стали коровы.
Был разработан электронный прибор, который имплантировался корове в матку. Этот прибор определял, когда яйцеклетка готова к оплодотворению, и передавал радиосигнал на пульт зоотехника. В тот момент, когда на пульте напротив имени коровы загоралась лампочка, зоотехник знал: к ней можно вести быка или применять искусственное осеменение.
Когда исследования доказали, что имплантат не вредит здоровью буренки и ее потомства, было решено не только "киборгизировать" чуть ли не всех коров на наших необъятных просторах, но и перенести передовой опыт на женщин. Дама смотрится в зеркальце карманной пудреницы, а под зеркалом - лампочка. Если зажглась - время заняться воспроизводством детей или, наоборот, предохраняться. Но внедрить этот смелый проект в жизнь не успели: страна вкатилась в агонизирующую стадию.
Если с коровами-киборгами все более или менее ясно, то споры о том, кто стал первым человеком-киборгом, ведутся по сей день. Выяснить это непросто. Задача осложняется тем, что медицинская этика, как правило, не позволяет называть имена пациентов и сути сделанной операции. К тому же немало исследований по киборгизации человека проводились, скажем прямо, полулегально.
Мелоди Мур (Melody Moore) - исследователь из Georgia State University на прошедшей в Вашингтоне (DC) конференции ASSETS 2000 (Association for Computing Machinery's Conference on Assistive Technologies) выступила с докладом, посвященным реализации прямого интерфейса "мозг-компьютер".
Исследование Мелоди Мур по организации интерфейса "мозг- компьютер" хотя и обладает вполне конкретной целью: с помощью компьютера обеспечить нормальную жизнь тяжело больным, парализованным людям, сохранившим тем не менее ясность мысли (т.н. синдром запертого человека - им страдают 500 000 человек по всему миру), имеет огромную ценность - это, пожалуй, первая фундаментальная работа по изучению и организации прямого взаимодействия человека и машины.
Действительно, что может быть прямее интерфейса, в котором компьютер понимает человеческий мозг без посредников в виде рук которые двигают мышку, нажимают кнопки на клавиатуре, дергают джойстик - теребят самые невообразимые устройства ввода, ног, которые нажимают на педали (в автосимуляторах например), с недавнего времени мышц шеи. Достаточно лишь подумать, и на экране все само передвинется/напечатается/нарисуется/посчитается. Интерфейс "компьютер - мозг" - другой вопрос и уже "следующая передача".
Сложность организации интерфейса мозг-компьютер заключается в том, чтобы прийти к пониманию мысли - интерпретировать абстрактное, например, "подумать о хорошем", "передать сигнал от такого-то и такого-то электрода там-то туда-то и посчитать все тем-то и так-то". Разложить мыслительный процесс на последовательность возбуждения электродов. Без хирургического вмешательства здесь не обойтись. И длительных исследований, само собой.
Cначала был пациент, вернее пациентка Х., и были электроды, и вживляли их пациентке в мозг. Пациентка Х. умерла естественной смертью через 76 дней после имплантации (причина - не имплантация, а заболевание Х.). В 1998 году электроды были имплантированы паценту Y., который показал наивысшие успехи в работе с компьютером мыслью. С весны 99 и в данный момент исследуется пациент Z, который тренируется и которого к компьютеру еще не пускали, потому что он часто болеет.
Технология имплантации довольно незамысловата: в мозг пациента помещается стеклянный конус с двумя золотыми электродами. К конусу подключается усилитель, к усилителю FM-передатчик, ко всему этому питание. Система получается радио-беспроводная. Внутрь конуса после имплантации прорастают нейроны с аксонами.
Для экспериментов конус вживлялся в часть мозговой коры, отвечающую за движение левой руки. Пациент, представляя себе, как он двигает рукой, возбуждает электроды. Сигналы усиливаются, обрабатываются DSP и передаются на компьютер. Компьютер считает хитрое устройство мышкой, и понимает "мысленную мышь" с помощью специального драйвера Parmount. Электрода в мозгу, как я и говорил, 2: один отвечает за "мысли" пользователя о горизонтальном движении мышкой, другой - о вертикальном. Это довольно неудобно: взаимодействие со специальными программами (виртуальная клавиатура, виртуальное пианино, визуальная среда языка, основанного на комбинации ситуативных пиктограмм, с помощью которого инвалид может выражать свои потребности, и т.д.) происходит не потому, что подопытный думает об этих действиях, о том как напечатать определенную букву, к примеру, а потому, что он думает о том, как двинуть мышку, чтобы нажать кнопку с буквой. То есть все действия основываются на мыслях о курсоре, а не об этих действиях. Из-за длительных тренировок у подопытного наблюдался "cursor cortex phenomenon": появление в коре центра, отвечающего за перемещение курсора по горизонтали и вертикали.
Такое зацикливание мыслей на курсоре вызвано фиксированным количеством электродов (2) вследствие отсуствия технологии анализа работы одного электрода для интернепретации сложного действия (в разработке) или нескольких электродов с той же целью. Тут как раз кроется самая главная проблема организации биотехнологического интерфейса: различение сложных схем возбуждения электродов (имеется в виду большое число электродов) для интерпретации сложных мыслей.
Создание более или менее универсального механизма интерпретации мыслей - вот ключ к пониманию человека машиной. Это - огромная кропотливая экспериментальная работа.
Искусственное электронное сердце.
Внешний вид искусственного сердца.
Считается, что первая операция по имплантации человеку искусственного электронного сердца произошла в июне 2000 года в Париже. Группа ученых под руководством профессора Ираджа Ганджбакша вмонтировала безнадежному 70-летнему пациенту- инфарктнику аппарат, который выполняет функции левого желудочка сердца - подает под давлением кровь в аорту. А в брюшную полость больного вмонтировали аккумулятор, от которого и работает сердце. Заряженного аккумулятора, правда, пока хватает лишь на 25 минут работы. За это время человек может принять ванну или выйти на прогулку, а потом нужно надевать пояс, подключенный к заряжающему устройству. Впрочем, что стоят эти неудобства по сравнению с самой возможностью жить!
Но едва об этой операции узнал мир, как выяснилось, что она вовсе не первая, - подобные уже проводились в конце прошлого века в Германии, Австрии, США, Японии... Искусственные электронные клапаны в сердце начали устанавливать (в том числе и в нашей стране) еще полтора десятилетия назад, а кардиостимуляторы использовались и того раньше...
Конструкция первого механического сердца была разработана еще в конце 1930- х гг. русским хирургом Владимиром Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Эксперименты показали перспективность идеи как таковой: собакам, у которых функции удаленного сердца выполнял его рукотворный аналог, удавалось прожить до двух с половиной часов. Спустя 30 лет после этих опытов была проведена первая подобная операция на человеке. Цель ее была сравнительно скромной - дать пациенту возможность протянуть несколько дней в ожидании донорского сердца. В начале 1980-х гг. было создано устройство, рассчитанное на длительный период работы. Искусственное сердце, которое получило название Jarvik-7, предназначалось также и для больных, которые никогда не дождутся своего донора. Ситуация обычная, поскольку органов, пригодных для трансплантации, никогда не было в избытке. Первый из пациентов, подключенных к Jarvik-7, прожил 112 дней, еще один - 620 дней.
Впрочем, жизнь их была малоприятной. Работа механического сердца вызывала конвульсии, затрудненное дыхание, нарушения работы внутренних органов, помутнение сознания. Больные были буквально прикованы к внешнему блоку питания и управления размером со стиральную машину. Наконец, чтобы этот блок соединить проводами с имплантированным в грудь насосом, приходилось проделывать дыры в теле пациентов. Риск занести инфекцию, как нетрудно догадаться, в таких условиях огромен. Словом, несовершенство первых искусственных аналогов сердца было настолько очевидно, что в одной из статей в "Нью-Йорк Таймс" эти исследования обозвали "Дракулой медицинских технологий".
Однако в последнее время появляется все больше оснований изменить скептическое отношение к попыткам сконструировать эффективно работающие устройства, способные с успехом заменить сердце. Созданы надежные миниатюрные двигатели, микропроцессоры дают уникальную возможность регулировать поток крови в зависимости от физической нагрузки, а легкие и емкие литиевые батареи могут обеспечить необходимую энергию. Все эти технологические достижения воплощены в конструкции портативного искусственного сердца, созданного специалистами американской компании Abiomed Inc. Устройство, получившее название AbioCor, представляет собой механический насос с внутренними клапанами и четырьмя трубками, которые соединяются с сосудами. Вся конструкция в точности симулирует работу настоящего человеческого сердца. Питается этот титаново- пластмассовый агрегат от батареи весом менее двух килограммов - ее предполагается повесить пациенту на пояс. Причем никакие провода из груди торчать не будут, поскольку энергия передается прямо через кожу. В этом отношении у AbioCor просто нет аналогов. Внешний блок питания транслирует радиосигнал, который преобразуется в электрические импульсы детектором, имплантированным в брюшную полость. Батарея требует подзарядки каждые четыре часа, и на время ее замены подключается внутренний блок питания, рассчитанный на 30 минут автономной работы. Кроме всего прочего, система оснащена миниатюрным передатчиком, позволяющим дистанционно отслеживать параметры работы всего устройства.
Специалисты из Abiomed потратили на свою разработку 30 лет, но и сегодня они говорят, что удалось сконструировать лишь экспериментальную модель. Цель дальнейших исследований - создать искусственное сердце, способное работать до пяти лет.
В США создано искусственное сердце Abiocor весом менее полутора килограммов. Блок питания, носимый на поясе, позволит больному вести практически нормальную жизнь. Управление по пищевым продуктам и лекарствам (FDA) одобрило клинические испытания механического сердца в пяти клиниках США. Первая операция будет выполнена не позднее 30 июня этого года, причем имя больного будет засекречено, сообщает Associated Press.
Устройство Abiocor сделано из титана и пластмассы. Оно работает от двух батарей. Внешнюю батарею необходимо заряжать каждые четыре часа, однако можно использовать запасные батареи. Внутренняя батарея постоянно подзаряжается и способна обеспечивать автономную работу сердца в течение получаса.
При физических нагрузках и увеличении потребности организма в кислороде сердце бьется чаще. Устройство, имплантируемое в грудную клетку, и дополнительные компоненты, устанавливаемые в брюшную полость, весят около 1,4 килограмма. Внешняя батарея и портативный передатчик с монитором, носимые на поясе, весят 1,8 килограмма.
Параметры работы механического сердца можно отслеживать на расстоянии с помощью радиосигналов, передаваемых на компьютер.
Клинические испытания будут проводиться на больных с прогрессирующей сердечной недостаточностью, которым по прогнозам кардиологов осталось жить меньше месяца. На первом этапе медики попытаются увеличить продолжительность жизни пациентов, по меньшей мере, до 60 суток. Врачи хотят также оценить, как повлияет механическое сердце на качество жизни больных, большинство из которых сейчас не в состоянии даже одеваться самостоятельно.
Раньше хирурги уже применяли искусственное сердце, но подвижность больных была серьезно ограничена из-за необходимости подключения к громоздким внешним блокам питания и управления. Все же в ряде случаев такие устройства позволяли пациентам дождаться пересадки донорского сердца.
По расчетам специалистов компании AbioCor, около 100 тысяч американцев могли бы продлить свою жизнь благодаря имплантации механического сердца. Сейчас инженеры работают над созданием устройства, которое сможет работать в течение как минимум пяти лет.
Футуристическое представление замены кибер-глаз.
Но, может быть, первыми киборгами следует считать 15 слепых пациентов Балтиморского университета, которым в 90-е годы было имплантировано устройство, позволяющее видеть без помощи глаз? Чуда, конечно, не произошло, электронные приборы не позволяют пока различить газетный текст, но люди стали видеть свет и распознавать цвета.
Многие ученые, работающие над проблемой искусственного зрения, пытаются активизировать потенциальные возможности мозга слепых. Разработанная американскими учеными электронная система искусственного зрения построена следующим образом: в глазницах слепого устанавливаются стеклянные глаза - высокочувствительные экраны, воспринимающие световые волны (вместо сетчатки). Стеклянные глаза, содержащие матрицы светочувствительных элементов, соединяются с сохранившимися мышцами зрительных органов слепого. Благодаря усилию глазных мускулов положение этих экранов (камер) можно менять, направляя их на тот или иной объект. В дужках темных фальшивых очков, заменяющих оптический нерв, размещены микроузлы, преобразующие изображение, "считываемое" с экрана, которое передается в электронный блок, связанный с электродами, кончики которых введены в участки гловного мозга, ведающие зрением. Соединение электронных схем с вживленными электродами производится либо по проводам с подкожным разъемом, либо через передатчик, устанавливаемый снаружи и имеющий индуктивную связь со вживленной частью системы под черепной коробкой.
Каждый раз, когда экран в глазнице слепого регистрирует какой-либо несложный объект, миниатюрная ЭВМ в дужке очков преобразует изображение в импульсы. В свою очередь электроды "переводят" их в иллюзорное ощущение света, соответствующее определенному пространственному образу. Предстоит еще много сделать, чтобы подобные системы искусственного зрения стали высокоэффективными приборами, приносящими реальную пользу не отдельным пациентам, а тысячам и тысячам слепых.
Интересно, что глаз воспринимает единый визуальный ряд очень фрагментарно, создавая целый набор различных зрительных репрезентаций, которые затем параллельно - в форме отдельных нервных импульсов - транслируются в нервные центры мозга.
Выяснилось, что визуальный образ формируется мозгом на основе двенадцати отдельных грубых «набросков», в которых отражены определенные элементы внешнего мира. Формирование этих образов обусловлено структурно, - строгая специализация ганглиев находит непосредственное отражение в строении сетчатки. Она состоит из нескольких слоев. Зрительную информацию воспринимают светочувствительные фоторецепторы (палочки и колбочки). Они передают импульсы слою горизонтальных и биполярных клеток, которые связаны с ганглиями многочисленными нервными отростками. На этом этапе и фильтруется информация.
Все ганглии делятся на 12 групп, и каждая из них снимает свое «кино», фиксирует свою часть картинки - это может быть движение, или большие структурно однообразные объекты, или границы объектов, и т. п. Затем мозг складывает эти куски окружающей реальности воедино и, вероятно, дополняет их образами, хранящимися в памяти. На основе полученных данных была построена компьютерная модель, симулирующая активность ганглиев и наглядно демонстрирующая, какие именно изображения передаются в мозг.
У слепых людей появился шанс вернуть себе зрение. В Австралии было разработано устройство, которое может практически полностью заменить «неработающий» глаз - и тогда незрячие от рождения люди смогут увидеть красоту этого мира...
Австралийские изобретатели ищут добровольцев для того, что опробовать свое детище - «кибер-глаз». Этот прибор состоит из силиконового чипа, который вживляется в глазное яблоко, и специальных очков, которые являются своего рода мониторами. Изображения, получаемые очками, разбиваются на пиксели и отправляются в крошечный чип, который, по сути, является кибер-версией сетчатки. Этот чип воспроизводит зрительные образы и передает информацию клеткам натуральной сетчатки вместе с электромагнитными волнами. По словам разработчиков этого прибора, тесты на животных оказались успешными, и теперь изобретатели хотят опробовать «кибер-глаз» на людях. Для участия в эксперименте приглашаются добровольцы, единственное требование к которым состоит в том, чтобы они были абсолютно слепыми людьми. Страдающие частичной потерей зрения в эксперименте участвовать не будут, так как изобретатели опасаются того, что «кибер-глаз» может вызвать ухудшение состояния.
Беспроводные очки с видеокамерой и микрочип, прикрепляемый к сетчатке, могут вскоре вернуть зрение слепым, заявили в среду разработчики новой технологии "искусственных глаз".
Маленькая видеокамера, установленная в очках, передает изображение на микрочип, который передает его на сетчатку с помощью сети электродов.
Как сообщает Associated Press, известный слепой певец Стиви Уандер уже заявил, что рассматривает возможность такой операции. Стиви Уандер уже проконсультировался с доктором Марком Ньюмаюном, офтальмологом из Wilmer Eye Institute, где занимаются разработкой "глазного протеза".
Ньюмаюн, правда, уже сообщил, что вряд ли эта технология поможет Стиви Уандеру, который слеп от рождения. По словам ученого, искусственные глаза скорее всего будут наиболее успешно работать для тех, кто видел в детстве, но затем потерял зрение в связи с различными заболеваниями - например, из-за помутнения роговицы, что является основной причиной потери зрения у пожилых людей.
По сообщению Ньюмаюна, полный комплект аппаратуры "глазного протеза" еще не был протестирован на людях. Однако некоторые компоненты этого аппарата уже испытывались: семнадцати пациентам к сетчатке подключали электроды. При этом большинство из них видели свет, а некоторые даже различали цвета и формы объектов.
Предполагается, что если дальнейшие опыты пойдут успешно, искуственные глаза начнут ставить желающим уже в ближайшие два года.
Две основные технические проблемы, с которыми столкнулись разработчики глазного чипа - сложности с креплением чипа на сетчатке, которая представляет собой нежную и влажную ткань, а также "разрешение" чипа: пока его матрица размером 5X5 миллиметров передает картинку, состоящую из примерно 100 точек, и исследователи надеются, что им удастся сделать чип, передающий хотя бы 500 пикселей для получения на сетчатке более четкого изображения.
Подробнее об операции
Операция начинается с трех микроскопических надрезов на белке глаза. Сквозь них хирурги вводят отсасывающее устройство, которое удаляет гель из внутренней части глаза и заменяет его соляным раствором. Затем хирурги делают точный надрез под сетчаткой и вводят через него жидкость, которая приподнимает часть сетчатки над поверхностью глаза, создавая карман, в который вводится микрочип. После этого в полость глаза вводится воздух, в результате чего сетчатка прижимается к устройству, а надрезы закрываются. За два-три дня пузырек воздуха замещается жидкостями, образующимися внутри глаза.
Увеличенное изображение ASR-микрочипа.
2 мм ASR-чип, лежащий на пенни.
ASR-чип, имплантированный в сетчатку.
Этот протез не отличишь от настоящей руки. Силиконовые мышцы действуют, как настоящие, человеческие, только их питает не кровь, а спрятанный внутри пневмоаккумулятор. Движениями же управляет не только электроника, но и мозг человека. Это принципиальное отличие протеза нового поколения. До сих пор протезы были "пассивными" - сколько бы электроники ни находилось внутри, они лишь реагировали на движение уцелевшей части конечности. И пускай искусственная нога предыдущих моделей стоимостью в полмиллиона долларов послушно следовала неровностям рельефа, а рука могла даже вырезать и шить - еще можно было распознать, что это лишь культя. Искусственные руки и ноги нового поколения имеют одну существенную особенность: электроника напрямую контактирует с нервными окончаниями, соединяя протез с головным мозгом человека и ведет себя так, как вела бы себя настоящая рука, согласуясь с рефлексами. Единственное отличие: по желанию заказчика рука может быть в десяток раз сильнее (да и более умелой), чем настоящая.
Лондонская компания Shadow Robot разрабатывает автоматическую руку, которая должна будет действовать так же свободно, как и человеческая. Специалисты надеются, что в течение года им удастся довести свой проект до такого совершенства, что рука-робот сможет подавать стакан воды.
Shadow Robot только что получила за это изобретение премию в размере 75 тыс. фунтов от Национального фонда науки, технологии и искусств (Nesta).
Ричард Гринхилл, управляющий директор фирмы, сказал в интервью Би-би-си, что эти деньги пойдут на разработку сложных навигационных программ, а также "искусственного интеллекта" робота, который, по словам Гринхилла, "должен знать, где находится шкаф и как открывается дверь".
Конечность, созданная компанией Shadow Robot, способна повторить 24 движения человеческой руки, в то время как "рука", созданная специалистами из американского космического агентства NASA, как утверждает Гринхилл, "выучила" пока только 12 движений.
Отличие британской "руки" от американской состоит в том, что британские инженеры для приведения робота в движение используют не электрические моторы, а "воздушные мускулы" в виде резиновых трубок, которые могут сокращаться и занимают гораздо меньше места, чем моторчики. В первое время "рукой" можно будет руководить с помощью прибора дистанционного управления, но компьютерщики Shadow Robot надеются, что в дальнейшем она сможет действовать сама по себе.
Руководство компании считает, что робот может пригодиться инвалидам и престарелым людям, однако признает, что стоить он будет дорого - как автомобиль.
Дэвид Колли, председатель Британского совета инвалидов, сказал в интервью Би-би-си, что автоматическая "рука" не способна заменить человека, поскольку речь идет не только о том, чтобы подать стакан с водой. Инвалиды и престарелые должны вести полноценный образ жизни - выходить из дома, встречаться с другими людьми и т.д. - поэтому робота здесь явно недостаточно.
Ещё в 1956 году советскими учеными в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения Министерства социального обеспечения РСФСР был создан макетный образец "биоэлектрической руки" - протеза, управляемого с помощью биотоков мышц культи. Это "чудо ХХ века", впервые демонстрировалось в советском павильоне на Всемирной выставке в Брюсселе.
Обладатель исскуственной руки пользуется ей очень просто, без каких-либо неестественных усилий: мозг отдает мышцам приказание сократиться, после чего легкое сокращение одной мышц культи заставляет кисть сжаться, сокращение другой - раскрывает ее. Протез надежно работает при любом положении руки, с его помощью человек может самостоятельно обслуживать себя: одеться, обуться, за обеденным столом управляться с ножом и вилкой по всем правилам хорошего тона, а также писать, чертить и т.п. Более того уверенно работать напильником и ножовкой, пинцетом и ножницами и даже управлять транспортным средством..
Одиннадцатилетняя Даймонд Экселл (Diamond Excell), родившаяся без рук, впервые смогла обнять свою мать. Это стало возможно благодаря тому, что американский инженер Иван Йегер (Ivan Yaeger) и специалист по протезированию Юджин Сильва (Eugene Silva) разработали для нее механические руки, сообщает Associated Press.
Эти руки выполняют необходимые движения и управляются нервными импульсами, идущими к мышцам туловища. Сокращение мышц спины вызывает разгибание суставов, а напряжение мышц передней стенки грудной клетки - сгибание.
Два датчика на ремнях, удерживающих руки на туловище, позволяют переключать управление тремя суставами. Запястье может поворачиваться в любую сторону, а локти устроены так, чтобы при ходьбе руки двигались как настоящие.
Форма кистей скопирована у сестер Даймонд. Текстурное покрытие из прессованного латекса и ногти придают им естественный вид. Остальная часть рук покрыта синтетической сеткой и заполнена материалом, защищающим электронные устройства и кабели.
Юджин Сильва заявил, что по мере взросления девочки руки будут удлинять.
Даймонд Экселл за свои 11 лет научилась писать, есть и чистить зубы ногами. И теперь она проявляет большой талант к обучению. Девочка уже может двигать пальцами рук и брать предметы. Однако обучение продлится еще несколько недель.
Из 70 тысяч долларов, которые пришлось заплатить за электронные руки, 60 тысяч собрали спонсоры. Мать девочки Делия сказала, что не может передать словами чувства, которые она испытала, когда дочь впервые ее обняла.
«Мозг» имплантируемого искусственного уха.
Другой прорыв в области протезирования - искусственное ухо. У здорового человека внутри органа слуха находятся десятки тысяч чувствительных волокон, которые и реагируют на звуковые волны, а колебания от них по нервным окончаниям передаются в мозг. Если эти волокна повреждены или отсутствуют - наступает глухота. Их заменяет протез: множество микроскопических электродов передают акустические сигналы не менее исправно. Больные, страдавшие полной глухотой, если у них есть деньги на протез, теперь могут болтать даже по некачественной телефонной связи, которая приводит в смятение и людей с вполне здоровыми ушами.
Не менее успешно ведутся работы и по созданию электронных устройств для людей, частично или полностью потерявших слух. Один из наиболее удобных аппаратов, усилительный тракт которого построен на одной интегральной микросхеме. Его вес не более 7 граммов. Применяемые электретные микрофоны со встроенными истоковыми повторителями имеющими высокую чувствительность.
Значительно сложнее вернуть человеку слух при полной его потере. Обычно глухим вживляют в улитку внутреннего уха одноканальные электроды (вместо нервов), что позволяет им слышать, например, звуки телефонного или дверного звонка. С появлением микропоцессоров возникла возможность обработки воспринимаемых звуков для выделения составляющих тональных сигналов, подаваемых на отдельные каналы многоканального аппарата искусственного слуха, синтезирующие первоначальные сигналы в слуховом участке коры головного мозга.
Пациент с искусственной костью.
Пластмассовые кости заменят натуральные
Недавно разработанные методики лечения дефектов костной ткани могут в течение пяти ближайших лет совершенно изменить современную ортопедию, сообщает ВВС. В последнем номере журнала New Scientist описаны некоторые из принципиально новых технологий замещения костных дефектов, возникающих в результате травмы или при разрушении костной ткани опухолью.
В современной ортопедии широко распространены методы так называемой аутотрансплантации, когда для закрытия дефекта костной ткани используют фрагмент другой кости того же пациента. Недостатком методики специалисты считают сложность и травматичность операции. Иногда для пересадки используется участок кости другого человека, хранящийся в специальном "костном банке". Применение этой методики не гарантирует хорошего приживления трансплантата, а также требует тщательного обследования донора на ВИЧ, вирусы гепатита и другие инфекции.
Одна из разработанных недавно технологий предполагает использование костного мозга пациента для выделения из него гидроксиапатита - минерального компонента кости. На основе этого вещества с помощью различных факторов роста в лабораторных условиях уже через 4-6 недель формируется костная ткань, которую можно успешно пересадить пациенту.
Другая новая методика, заслужившая внимание специалистов, использует для замещения костного дефекта пористый полимер Polyactive. В структуру этого вещества включены естественные факторы роста костной ткани. По прошествии некоторого времени разрастающаяся вдоль волокон полимера костная ткань полностью замещает синтетический материал.
Пока что обе технологии продемонстрировали хорошие результаты лишь в эксперименте на животных. По мнению ученых, потребуется не менее трех лет дальнейшего детального изучения новых методик, прежде чем можно будет говорить об их официальном применении в практической медицине.