10 инноваций в области биоэлектроники, которые могут совершить переворот в медицине

После того как вымышленный астронавт Стив Остин был серьёзно травмирован во время аварии экспериментального летательного аппарата, директор Оскар Голдман заверил своих коллег по Управлению стратегической разведки: «Мы сможем его восстановить; у нас есть технология». В 1974 году, когда начался телесериал «Человек на шесть миллионов долларов», заявление Голдмана было бы абсурдным, если бы он сделал его в реальном мире.

Теперь, по прошествии сорока с лишним лет, у нас действительно есть технологии для восстановления людей или, во всяком случае, их частей. А как показывают эти десять революционных инноваций в области бионики, в недалёком будущем мы сможем полностью «восстанавливать» травмированных мужчин и женщин.

1. Глаз

В результате возрастной макулярной дегенерации британский пенсионер потерял способность различать лица в 2009 году. Его жизнь круто изменилась в 2015 году, когда ему вставили электрический имплантат, который передаёт видеосигнал здоровым клеткам сетчатки. Миниатюрная камера, прикреплённая к его очкам, снимает видео. Теперь он снова может различать лица, а также читать и смотреть телевизор. Самым потрясающим является то, что сейчас он, благодаря своим видеоочкам, может видеть даже с закрытыми глазами. Эта технология также помогает людям с пигментной дегенерацией сетчатки.

2. Ухо

В большинстве случаев потеря слуха происходит в результате потери связи между волосковыми сенсорными клетками улитки и слуховым нервом. Кохлеарные имплантаты частично снимают эту проблему путём возбуждения слухового нерва с помощью крошечных электродов. Однако при повреждении слухового нерва электроды должны посылать более сильные сигналы, что искажает конечный звук. Единственным способом улучшения звука является восстановление слухового нерва.

И здесь на помощь приходит генная терапия. В частности, группа ученых из Университета Нового Южного Уэльса под руководством Джереми Пиньона ввела нейротропин, белок, который стимулирует рост нерва, в клетки внутренних ушей глухих морских свинок. Это привело к регенерации слухового нерва, и животные снова стали слышать.

3. Зубы

Возможность регенерации зубов и предотвращения образования дупел может появиться уже в ближайшем будущем, так как стоматологи используют биоактивные заменители для борьбы с разрушением зубов. В то же время в исследованиях по созданию подобных «биозубов» удалось добиться больших успехов с помощью использования дёсенных стволовых клеток взрослого человека.

Хотя разработка биозубов может быть возможной, эксперты высказывают разные мнения по поводу практичности выращивания зубов в обычной стоматологической практике. Однако учёные продолжают исследования в этой области в надежде на то, что в будущем мы сможем выращивать сменные зубы.

4. Рука

В фильме «Лабиринт Фавна» (2006 год) есть герой с глазами в ладонях. Хотя этот фильм был снят в жанре фэнтези, биомеханическая рука, снабжённая собственным искусственным глазом, является фактом. Этот протез использует искусственный интеллект, чтобы «видеть» предметы. Намерение взять предмет передаётся в виде электрических импульсов руке. Рука реагирует фотографированием предмета. Затем, используя «одну из четырёх возможных позиций захвата», рука берёт этот предмет и поднимает его.

Для тренировки руки использовались картинки более 500 разных предметов. Каждый предмет был представлен 72 картинками, показывавшими его под разными углами и на разном фоне. В ходе испытаний рука «научилась» определять наиболее подходящую позицию захвата для данного предмета. В настоящее время рука является прототипом, хотя она тестировалась на двух людях без рук и показала 90-процентную эффективность. Исследователи надеются, что новые алгоритмы позволят им добиться стопроцентной эффективности. Они также планируют сделать руку более лёгкой и встроить камеру в ладонь, а не в тыльную сторону руки.

5. Поджелудочная железа

Бионическая поджелудочная железа, созданная учёными Массачусетской больницы общего профиля и Университета Бостона, автоматически измеряет уровень сахара в крови и, в случае необходимости, вбрасывает инсулин. Имплантированный под кожу датчик контролирует уровень сахара в вашей ткани и отправляет данные приложению на айфоне. Каждые 5 минут это приложение рассчитывает необходимое количество инсулина и подаёт его с помощью помпы.

При этом не нужно определять количество потреблённых углеводов и вводить его в устройство. Вместо этого, вы указываете, был ли приём пищи «типичным», «более типичным», «менее типичным» или «перекусом», а также был ли это завтрак, обед или ужин. Испытания на взрослых диабетиках показали, что бионическая поджелудочная железа лучше поддерживает нормальный уровень сахара в крови, чем обычные методы лечения.

6. Протез ноги

В двухлетнем возрасте Джон Симпсон, которому сейчас за шестьдесят, упал и сломал подбородок. В результате он заболел полиомиелитом и теперь не может ходить без ножного протеза. Протез был громоздким и ограничивал его движения. Однако его новый бионический протез дал ему больше свободы. С ним он может ходить, кататься на велосипеде и подниматься по лестнице.

С помощью технологии Bluetooth этот компьютеризированный протез, используя датчики на бедре Симпсона, отслеживает его шаги и двигается вместе с ним. Протез из углеродного волокна прочнее стали и работает от подзаряжаемой батареи. Бионический протез проверяет положение колена каждые 0,02 секунды и даёт Симпсону гибкость, которой ему не хватало с его предыдущим протезом.

7. Колено

Хейли Данисвиц потеряла нижнюю часть ноги от рака. Как только компьютер настроят на «распознавание лёгких движений её бедра», она получит бионическую ногу, которой она сможет управлять естественным путём. По словам руководителя проекта Леви Харгрова, учёного реабилитационного института Чикагского центра бионической медицины, задача заключается в том, чтобы «интегрировать машину с человеком».

Этот протез использует принцип электромиографии (измерение электрической активности мышц) и программу для распознавания паттернов. Девять электродов, каждый из которых подключён к разным мышцам, обнаруживают электрические сигналы, посылаемые нервами мышцам. Компьютер распознаёт паттерны сигналов и определяет, хочет ли она согнуть колено или изогнуть щиколотку. Данисвиц и ещё три участника программы смогут не только двигать ногами и сгибать колени, но и управлять щиколотками с помощью бионического колена.

8. Щиколотка

Бионические конечности являются одним из средств возвращения инвалидам потерянных ими возможностей. Примером может быть профессиональная танцовщица Адрианна Хаслет-Дэвис, которая потеряла часть ноги при взрывах на Бостонском марафоне.

Хью Герр, директор группы по биомехатронике при Массачусетском технологическом университете, который потерял свои ноги в результате несчастного случая во время занятий альпинизмом, создал искусственную щиколотку, которая позволила Хаслет-Дэвис снова танцевать. Группа Герра снабдила бионическими щиколотками 90 инвалидов. Сейчас Управление по делам ветеранов войны, Министерство обороны и некоторые частные страховые компании компенсируют стоимость бионических щиколоток, но Герр надеется, что в будущем высокотехнологичные протезы станут более доступными для тех, кто в них нуждается.

9. Экзоскелет

Успехи в области бионических технологий привели к созданию бионического экзоскелета. Носимые на теле экзоскелеты помогают людям ходить. Кевин Олдт повредил позвоночник в аварии на снегоходе. В результате он был прикован к инвалидному креслу. Теперь же с помощью экзоскелета, приспособления, состоящего из подпорок, датчиков, лямок и специальных компьютерных программ, он может удовлетворять почти все свои потребности.

Как только Олдт начинает идти, опираясь на костыли, четыре электрических мотора экзоскелета выпрямляют нижнюю часть его тела. Его ноги работают с экзоскелетом, так как последний измеряет количество силы, которую он прикладывает, поднимая ногу. В апреле 2016 года американское Управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило используемый Олтом экзоскелет Ekso GT для пациентов после инсульта и пациентов с травмами позвоночника ниже шеи.

10. Хвост

Человеку не часто нужен хвост, но команда по спецэффектам для фильмов «Властелин колец» снабдила им Надю Весси из Окленда (Новая Зеландия), чтобы она могла плавать. В результате врождённой патологии её ноги не развивались надлежащим образом, и в 16 лет они были ампутированы. Когда ей было 50 лет, один юноша, увидев, как она снимает свои протезы, спросил у неё, что случилось с её ногами. Она сказала ему, что она русалка.

Вдохновлённая своим объяснением, она написала письмо в оскароносную Weta Workshop, компанию по спецэффектам, которая также создавала визуальные эффекты для фильмов «Хроники Нарнии» и «Кинг-Конг», с просьбой сделать ей русалочий хвост. И они удовлетворили её просьбу.

Конструкция хвоста позволяет Весси плавать, совершая изящные, волнообразные движения, похожие на движения того мифического существа, которого она напоминает в протезах. Несмотря на потерю ног, Весси в школе участвовала в соревнованиях по плаванию, и она надеется, что она сможет использовать свой бионический русалочий хвост в соревнованиях по плаванию в триатлоне.