Искусственное ухо
Электроэнергия уже многие годы используется для питания слуховых аппаратов, которые представляют собой простые усилители, повышающие громкость звука. Однако если чувствительные клетки уха человека повреждены, то он все равно не слышит, каким бы громким ни был звук. Нормальные волосковые клетки в улитке внутреннего уха воспринимают звуковые сигналы и преобразуют их в электрические импульсы, которые поступают в мозг по слуховому нерву. Если у глухого человека сохранилась хотя бы часть слухового нерва, то можно, минуя поврежденные волосковые клетки, стимулировать этот нерв напрямую. Именно это и делают кохлеарные имплантаты.
На сегодняшний день они имеют как внутренние, так и внешние компоненты, первые имплантируют под кожу головы, а вторые носят за ухом. Внешнее устройство размером примерно с небольшой слуховой аппарат состоит из микрофона, речевого процессора и передатчика. Микрофон воспринимает окружающие звуки и преобразует их в электрические сигналы, речевой процессор отделяет фоновый шум, а передатчик посылает сигналы в приемник, установленный недалеко от него, но внутри тела. Приемник передает электрические сигналы к группе крошечных электродов, которые идут вдоль различных участков слухового нерва. Электроды вводят в одну из заполненных жидкостью камер улитки хирургическим путем так, чтобы они располагались достаточно близко к волокнам слухового нерва и обеспечивали их внешнее стимулирование.
Волосковые клетки улитки распределены вдоль нее в соответствии с тонами (частотами), к которым они чувствительны. Те, что реагируют на высокие звуки, находятся в одном конце, а те, что реагируют на низкие звуки, – на другом, во многом подобно клавишам рояля. Мозг различает высоту тона потому, что разные ветви слухового нерва связаны с волосковыми клетками, реагирующими на разные частоты. Если какую-либо ветвь нерва стимулировать искусственно, то мозг будет воспринимать сигнал как ноту определенной высоты. Количество электродов в кохлеарных имплантатах бывает разным, в современных устройствах оно колеблется от 16 до 24. Чем их больше, тем шире диапазон частот, которые человек может слышать. Именно поэтому существующие устройства не могут соперничать с настоящим ухом, которое имеет более 3000 внутренних волосковых клеток и позволяет нам слушать музыкальные композиции.
В настоящее время кохлеарные имплантаты вживляют только совершенно глухим людям, у которых повреждены волосковые клетки. Наилучший результат они дают у взрослых, потерявших слух, и у маленьких детей, родившихся глухими. Существует критический период, когда человек обретает способность говорить, и очень важно, чтобы дети получали кохлеарные имплантаты именно в это время – обычно в возрасте от двух до шести лет. Использование таких имплантатов пока еще очень молодое направление, и существующие устройства не могут восстановить нормальный слух в полной мере: британский политик Джек Эшли как-то заметил, что они звучат словно «хриплый далек
[43] с ларингитом». Требуется время и тренировка, чтобы научиться понимать звуки, которые становятся слышными с помощью такого устройства. Особенно трудно воспринимать тональные языки вроде китайского, где важно различать тон. Тем не менее многие люди, которые когда-то были совершенно глухими, теперь могут слышать и даже пользоваться телефоном. Понимание речи на фоне шума, например в заполненном ресторане или баре, остается, однако, проблематичным.
Кохлеарные имплантаты помогают только в том случае, если сохранились хотя бы некоторые волокна слухового нерва, что бывает не всегда у совершенно глухих людей. Чтобы преодолеть эту проблему, были сконструированы электроды для имплантации непосредственно в слуховые центры головного мозга. Хотя это работает еще хуже, чем кохлеарные имплантаты, само направление перспективно и дает совершенно глухим людям надежду обрести хотя бы грубое восприятие звуков. Правда, не все глухие проявляют интерес к таким устройствам. Они смотрят на свой недостаток как на данность и предпочитают полагаться на язык жестов, позволяющий им легко общаться друг с другом.
Искусственная рука
Каждое утро Кристиан Кандлбауэр встает, завтракает, забирается в автомобиль и едет на работу. Вроде бы ничего необычного, если бы не одно обстоятельство – Кристиан лишился обеих рук в 17 лет во время несчастного случая. Теперь у него два протеза: один обычный, а другой управляемый мозгом. Нерв, который когда-то управлял потерянными руками, хирургическим путем вывели в грудную клетку, а его разные ветви имплантировали в разные группы мышц. Со временем новые нервные окончания срослись с грудными мышцами так, что теперь, когда Кристиан хочет пошевелить рукой, мозг посылает сигнал в нерв, который возбуждает грудные мышцы. Ничтожно малые электрические импульсы в мышцах поступают в усилитель, расположенный на поверхности грудной клетки, и преобразуются в движения искусственной руки. Протезы, управляемые импульсами мозга, все еще находятся в стадии разработки, и Кристиан – один из первых, кто опробовал их.
В настоящее время большинство протезов рук с электроприводом управляются электрическими сигналами мышц культи, и человек с таким протезом должен знать, сокращение каких мышц необходимо для управления рукой, и вызывать их сокращение сознательно. Обычно такие протезы могут совершать за раз только одно движение, например разжать пальцы или повернуть кисть. Кроме того, они действуют медленно и не подходят людям, полностью потерявшим руку или ногу. Более совершенные протезы конечностей, вроде того, что у Кристиана, совершают значительно более сложные движения и управляются интуитивно – как сказал один инвалид, «я просто хочу пошевелить ладонью или предплечьем, и они начинают двигаться». Но даже эти, более сложные протезы имеют серьезный недостаток – у них нет сенсорной обратной связи, показывающей, например, какую силу надо приложить, чтобы поднять предмет. Если схватить яйцо с силой, необходимой, чтобы поднять тяжелый кувшин, оно разобьется. Бионические руки, помимо прочего, дороги и требуют регулярной замены через несколько лет в результате износа. Это означает, что нужны более совершенные протезы. Как это часто бывает с исследованиями в области медицины, стимулом становится война, и большое число молодых американцев, лишившихся конечностей во время боевых действий в Ираке и Афганистане, заставило увеличить вложения в разработку новых технологий протезирования.
Если помечтать, то хотелось бы найти способ имитирования нормальной электрической активности нервов мышц наших ног, дающий парализованным возможность ходить. Это просто сказать, но чрезвычайно трудно сделать, поскольку ходьба – очень сложная задача. Мало того, что искусственные электрические сигналы должны иметь правильный характер и правильную частоту для разных мышц, нужно еще, чтобы движения постоянно корректировались с помощью обратной связи от конечностей. Глубоко в наших мышцах находятся сенсоры, так называемые мышечные веретена, которые определяют положение конечностей и степень сокращения мышц. Информация, поступающая от них, требуется не только для того, чтобы мы правильно ходили, но и чтобы справлялись с такими трудностями, как неровности почвы или ступени. Таким образом, система обратной связи просто необходима, иначе искусственное устройство не будет посылать правильные электрические сигналы мышцам.
