Neuroprotezy – sztuczne narządy zmysłów

Wprowadzenie elektroniki do neurologii pozwoliło na zbudowanie sztucznych narządów zmysłów. Powstała w ten sposób protetyka neurologiczna, która największe sukcesy odniosła w przywracaniu zdolności słyszenia. Ale także niewidomi mogą mieć nadzieję, że wkrótce nauka usunie im zasłonę mroku. Jeśli zaś powiodą się najnowsze eksperymenty badawcze, pomoc otrzymają także ludzie pozbawieni możliwości mówienia, odczuwania zapachów i cierpiący na zaburzenia równowagi.

Sztuczny słuch

Powszechnie znane są pełniące rolę sztucznego ucha tzw. implanty ślimakowe. Skuteczne w 80 proc. przypadków protezy przywracają zdolność słyszenia chorym, u których z narządów słuchu działa jedynie nerw słuchowy. Dotąd wszczepiono je ponad 40 tys. ludzi na świecie, w tym prawie 400 w Polsce. Nawet głuche od urodzenia dziecko można poddać takiej operacji, zanim jego mózg nie utraci zdolności przetwarzania impulsów dźwiękowych.

Sztuczne ucho składa się z kilku współpracujących z sobą urządzeń. Mikrofon umieszczony za małżowiną uszną wychwytuje dźwięki w skali do 80 decybeli, które są przetwarzane na sygnały przez mikrokomputer z procesorem mowy. Sygnały te docierają do właściwego implantu, wszczepionego odbiornika, połączonego z elektrodami stymulującymi zakończenia nerwu słuchowego w kości zwanej ślimakiem. Nerw ten przekazuje impulsy do ośrodka słuchu w mózgu.

Chorym z niesprawnym nerwem słuchowym natomiast wszczepiane są nowocześniejsze implanty pniowe, w których elektrody podłączone są bezpośrednio do pnia mózgu. Na świecie żyje z nimi już niemal 300 osób. Wśród nich Polka o imieniu Sylwia, która nie tylko swobodnie posługuje się rodzimą mową, ale porozumiewa się też dwoma językami obcymi: niemieckim i nauczonym już po operacji włoskim.

Niestety, zazwyczaj efekty stosowania sztucznego ucha nie są aż tak dobre. Pacjenci z wszczepionymi implantami często twierdzą, że słyszane dźwięki brzmią zbyt metalicznie. Tylko nieliczni cieszą się bogactwem barw muzyki. Tym niemniej głusi mają możliwości leczenia, których niewidomi do niedawna mogli im tylko pozazdrościć.

Widzenie świata

Obecnie wysiłek konstruktorów neuroprotez skoncentrowany jest na przywracających wzrok niewidomym implantach siatkówkowych. Już jakiś czas temu stwierdzono, że umieszczając elektrody w siatkówce oka i wysyłając do nich impulsy elektryczne, można wywołać wrażenie widzenia światła i kształtów. Śladem tego odkrycia ruszyli najzdolniejsi wynalazcy z całego świata.

Pierwsze sztuczne oko skonstruowano kilka lat temu temu w Nowym Jorku. Miniaturowa kamera ukryta w okularach pacjenta rejestruje widoki, które przekształcane są na sygnały w mikrokomputerze z przetwornikiem obrazów. Sygnały te przesyłane są do wszczepionego implantu, połączonego z elektrodami pobudzającymi zakończenia nerwu wzrokowego. Nerw ten przekazuje impulsy do ośrodka wzroku w mózgu.

Dzięki aparatowi nazwanemu Dobelle Eye niewidomy Amerykanin o imieniu Jerry potrafi już poruszać się samodzielnie. Chociaż jego pole widzenia jest na razie ograniczone zaledwie do obszaru 20 na 5 cm, podczas jednej z prób odszukał wiszącą na białej ścianie czarną czapkę i założył ją na głowę stojącego obok manekina.

Podobne urządzenia testują naukowcy w Ameryce i Europie. Prawdopodobnie wkrótce niewidomi będą widzieli taki obraz, jaki pokazuje na małym monitorze kamera wideo. Będą mogli oglądać telewizję i pracować na komputerze. „Do lamusa powędrują białe laski i książki pisane brajlem” – mówi z przekonaniem autor sztucznego oka dr William H. Dobelle.

Kontrola umysłu

Wiedza zdobyta przy tworzeniu sztucznych narządów zmysłów umożliwiła skonstruowanie stymulatorów aktywności mózgu. Urządzenia takie używane są do neutralizowania zaburzeń czynności komórek nerwowych mózgu, które wywołują drżenie kończyn chorych na parkinsona i skurcze mięśni, cierpiących na dystonię oraz gwałtowne napady padaczki (epilepsji).

Zależnie od rodzaju choroby pacjenta, lekarze wprowadzają elektrody do dotkniętego schorzeniem fragmentu mózgu albo do nerwu błędnego, który unerwia narządy szyi, jamy piersiowej i brzusznej. Następnie pacjentowi wszczepia się stymulator, niewielki aparat połączony z elektrodami, umieszczany w klatce piersiowej albo w okolicy karku. Powstające w tym urządzeniu impulsy elektryczne „wyciszają” komórki nerwowe błędnie przekazujące bodźce.

W ciągu ostatnich lat na świecie wszczepiono stymulatory mózgu 15 tys. pacjentów ze schorzeniami neurologicznymi, przeważnie z chorobą Parkinsona (w Polsce takim operacjom poddano chorych z parkinsonizmem i z dystonią).

Stymulacja aktywności mózgu poprawia też stan tych chorych psychicznie, którzy cierpią na ciężką postać tzw. natręctw czynnościowych. Pewien Włoch o imieniu Mario potrafił przez całe godziny pogrążać się wciąż w tych samych myślach, a czynność mycia rąk powtarzał 70 razy dziennie. Był pierwszym amerykańskim pacjentem u którego zastosowano stymulację z powodów psychiatrycznych. Po krótkim czasie stan chorego zdecydowanie się poprawił. Dziś nie cierpi już na dawne natręctwa.

W podobny sposób można również wyzwolić nowe zdolności umysłowe. Przy pomocy nieinwazyjnej stymulacji magnetycznej prof. Allan Snyder z Uniwersytetu w Sydney spowodował „wyłączenie” pewnego fragmentu płata skroniowego mózgu. U 1/3 spośród poddanych temu doświadczeniu osób nastąpiła poprawa pamięci topograficznej i zwiększyły się zdolności matematyczne. Co ciekawe, podobnie jak chorzy na autyzm potrafili oni odtąd bezbłędnie podać, jaki dzień tygodnia odpowiadał dacie z odległej przeszłości.

Siła woli

Izolacja od świata chorych na autyzm wydaje się niczym w porównaniu z nieszczęściem sparaliżowanych ofiar wypadków i chorób układu nerwowego. Ludzie ci czują, widzą, słyszą, nie mogą natomiast poruszać się ani mówić. Niektórzy nie są w stanie nawet mrugnąć okiem. Dla takich pacjentów niemieccy uczeni z Uniwersytetu w Tybindze stworzyli mentalne połączenie z komputerem. Aby przesunąć kursor na ekranie monitora, pacjent musi jedynie odpowiednio kontrolować swoje myśli!

Elektrody przyczepione do głowy osoby siedzącej przed komputerem odczytują elektryczne impulsy w korze mózgowej. Zależnie od wyników odczytu kursor na monitorze przesuwa się w górę albo w dół. W trakcie odpowiedniego treningu chory uczy się kierować swoimi falami mózgowymi. Naukowcy opracowali specjalny edytor tekstu, dzięki któremu po kilku tygodniach pacjent może już w miarę swobodnie przekazywać swoje opinie, pytania czy prośby. W ten sposób po sześciu latach osamotnienia nawiązał kontakt z otoczeniem całkowicie sparaliżowany Turek o imieniu Mehmet.

Amerykanie poszli jeszcze dalej niż Niemcy. Uczeni z Emory University School of Medicine w Atlancie zdecydowali się wszczepić dwóm ochotnikom elektrody bezpośrednio do mózgu. Pobudzane w trakcie myślenia komórki nerwowe emitują sygnał elektryczny przekazywany do zewnętrznego odbiornika. „Pacjent musi sobie wyobrażać ruch różnymi częściami ciała. Po niedługim treningu potrafi przesunąć kursor w wybrane miejsce ekranu. To taka »umysłowa myszka«” – puentuje dr Philip Kennedy.

Nowe odkrycia – można mieć nadzieję – pozwolą sparaliżowanym osobom nawiązać kontakt ze światem i sterować urządzeniami umożliwiającymi odzyskanie kontroli nad ciałem. Naukowcy wierzą, że w przyszłości stanie się możliwa bezpośrednia komunikacja między ludzkim mózgiem a urządzeniami elektrotechnicznymi. Tym samym maszyny stałyby się posłuszne myślom.

Jan Opinc

………

Łowca trufli

W przeciwieństwie do powszechnie znanego sztucznego ucha, o istnieniu sztucznego nosa wiedzą tylko specjaliści. Tymczasem doskonały elektroniczny nos zbudowano już jakiś czas temu. Skonstruowany w Anglii tzw. AromaScanner wyczuwa rosnące pod ziemią smakowite trufle lepiej niż świnie używane do poszukiwań tych grzybów. Urządzenie odróżnia także gatunki i roczniki wina nie gorzej niż wytrawny kiper. Niestety, nawet zminiaturyzowany sztuczny nos ostatniej generacji wciąż jest zbyt duży. Nadal musi być noszony w walizce i choćby z tego powodu nie nadaje się do domowego zastosowania.