Электронные имплантаты: будущее медицины?

Со вступлением в новое десятилетие технологии тоже сделали шаг вперед: американские ученые создали имплантируемый в глаз компьютер. Компьютеры, которые помещаются на кончике пера, становятся ключом к сенсорным сетям с миллиметровыми компонентами. Созданный для измерения глазного давления у больных с глаукомой, такой электронный чип стал очередным этапом к эпохе внедрения биосовместимых имплантатов. Что это такое и как электронные технологии повлияют на лечение пациентов? Специалисты подтверждают, что воздействие электронных чипов на организм человека еще до конца не изучено, а научный прогресс не стоит на месте, и это закономерный процесс. Возникнет ли мода на электронные «гаджеты», вживленные в тело, покажет время, говорят психологи. Биосовместимые имплантаты – это то, о чем мы мечтали очень долго, говорят врачи.

Большинство современных электронных имплантатов созданы в медицинских целях: для спасения человеческой жизни и улучшения качества жизни больного. У самых революционных научных разработок и исследований есть четкая цель и задачи.

Чип для измерения глазного давления

Крохотный «компьютер» для измерения глазного давления объемом чуть больше одного кубического миллиметра. Эта новая система – самое маленькое из электронных устройств, в которых объединены функции сбора информации, ее хранения и передачи на другой прибор.

Такое устройство может стать ключом к организации беспроводных сенсорных сетей с компонентами миллиметрового масштаба, говорится в пресс-релизе университета Мичигана в США, где сделано открытие. «Эти сети смогут в один прекрасный день отслеживать загрязнения, проверять структурную целостность сооружений, выполнять иные наблюдения или сделают контролируемым практически любой объект», – говорят ученые Мичиганского университета, в стенах которого давно разрабатываются миниатюрные чипы.

В своем нынешнем варианте микроскопический компьютер предназначен для постоянного мониторинга внутриглазного давления. Его можно «считывать», если подвести сканер к глазу с имплантированным чипом. Так медики могут следить за развитием глаукомы. А это болезнь, которая потенциально способна привести к слепоте.

Самое удивительное в этом изобретении то, что все необходимые для мониторинга узлы интегрированы в один невероятно маленький чип. А внутри чипа находится микропроцессор с ультранизким энергопотреблением, датчик давления, память, тонкопленочный аккумулятор, солнечные батареи и радио с антенной.

Если говорить о радио, то стоит отметить, что исследователи постарались минимизировать все его компоненты и придумали специально для этого интегрированную в микросхему антенну. Такая антенна сама настраивает себя на нужную частоту. Если забежать немного вперед, то в будущем несколько таких чипов смогут автоматически подстраиваться друг под друга. Вся эта уникальная система вместе называется «миллиметровый автономный беспроводной монитор внутриглазного давления».

Вот как о своем изобретении высказался один из непосредственных авторов, профессор Деннис Сильвестер (Dennis Sylvester): «Это первая настоящая вычислительная система миллиметрового масштаба. Наша работа является уникальной в том смысле, что мы думаем о полном наборе, в котором все компоненты маломощные и помещаются на одном чипе. Мы можем собирать данные, хранить и передавать их. Приложения для систем такого размера бесконечны».

Ученые давно работают над подобными чипами. Так, в основе миллиметрового компьютера лежит уже третье поколение экспериментального чипа Phoenix, который тоже является разработкой Мичиганского университета.

Что касается работы и обслуживания такого прибора, то чип просыпается каждые 15 минут для проведения измерений, а в среднем потребляет 5,3 нановатта. Для зарядки своего аккумулятора чипу требуется ежедневно до 10 часов искусственного света (в помещениях) либо 1,5 часа солнечных лучей. Такой прибор может хранить медицинскую информацию за неделю работы. Однако в серию миллиметровый компьютер может попасть в течение нескольких лет.

Смогут ли люди в дальнейшем заменять не только глаза, но руки и ноги на электронные имплантаты? Ведь такие «гаджеты» имеют гораздо большую прочность и могут помочь всем нуждающимся. Но не приведет ли это к тому, что обеспеченные люди в добровольном порядке будут заменять здоровые органы на электронные из-за моды? Этим вопросом также задаются в настоящее время ученые, психологи и специалисты в области кибер-технологий. Ведь когда важнейший рубеж в покорении электроники будет пройден, а биосовместимые имплантаты и чипы поступят в массовое производство, об этом задумываться будет уже поздно. Правда, нашему поколению и нашим детям такая перспектива не грозит, считают исследователи.

Заманчивые перспективы

Исследователи Мичиганского университета считают, что «почти невидимый миллиметровый масштаб их системы может позволить вездесущие вычисления, и это будущее промышленности». Они ссылаются на закон Белла, который является следствием закона Мура. Закон Мура говорит, что число транзисторов на интегральной микросхеме удваивается каждые два года, при этом вдвое увеличивается и вычислительная мощность. А вот закон Белла говорит, что каждые десять лет будет появляться новый класс более миниатюрных и дешевых компьютеров.

«Когда появятся совсем маленькие портативные устройства, вы обратитесь к мониторингу этих устройств, – говорит профессор David Blaauw, – Следующая большая задача заключается в достижении миллиметрового масштаба системы, которая будет иметь множество новых приложений для мониторинга нашего тела, нашей окружающей среды и наших зданий».

В перспективе будут разработаны биологически совместимые нейроинтерфейсы и имплантаты, позволяющие взаимодействовать нервной системе человека с компьютерами и глобальными сетями, затем наномедицинские роботы, говорят ученые.

Но так ли отдаленны перспективы внедрения биосовместимых чипов, проводящих мониторинг и контроль жизненно важных показателей в нашем организме? Имплантатов вокруг человека гораздо больше, чем он думает. Правда, не все они именно электронные. Считаете ли вы примитивным имплантатом силиконовую грудь, вставную челюсть, слуховой аппарат?

Чипы для сетчатки и человеческого мозга

Кроме миниатюрного компьютера для измерения глазного давления в последние несколько лет уже созданы имплантаты, совместимые с человеческим мозгом. Например, уже есть беспроводный мозговой имплантат – синтезатор речи. Он нужен для коммуникации парализованных пациентов, которые не могут говорить. При этом синтезируется и озвучивается речь, произносимая человеком мысленно. Исторически именно в целях помощи парализованным появились проекты в области интерфейсов «мозг – компьютер». Принцип действия синтезатора прост: человек пытается говорить и через 50 миллисекунд слышит звуки, так как компьютер расшифровывает «рисунок» активности нейронов и управляет синтезатором речи.

Подобный принцип беспроводного питания чипа и передачи информации также можно найти в проекте сетчатки-имплантата, которая помогает ослепшим подарить второе зрение. Тем временем креативность ученых проявляется не только в открытии графена. Строительной основой для нового типа имплантата стал субстрат из фиброина натурального шелка, взятого из кокона шелкопряда Bombyx mori. Шелковый чип показал хорошую совместимость с живым мозгом. Благодаря растворению белка шелковой основы каркас из электродов в точно повторяет форму коры.

Зачем понадобилось размещать электроды в мозге? Они могут дать информацию о месте и времени возникновения эпилептического припадка, данные о работе нейронов в «неисправных» областях или использоваться для управления электроникой силой мысли парализованного человека.

Стремление к совершенству или необходимость?

Безусловно, исследования и открытия нужны людям, говорят российские врачи. Каждое такое исследование способствует развитию науки и открывает перспективы переноса технологии на новые области. Этот процесс неизбежен, хотя и сильно растянут во времени. И главной по-прежнему остается цель исследования, это может быть решение конкретной медицинской задачи, повышение качества жизни больного или улучшение способностей здорового человека, считают медики. Но пока все открытия совершают именно люди, они действуют в рамках личных и социальных мотивов.

Психологи считают, что именно человеку присуще стремление заглядывать в будущее, «улучшать» себя и одновременно бояться всего неизвестного. Если же человек перестал слышать, видеть, ходить, ему требуется соответствующая медицинская технология, возможно, имплантат. «Человек так устроен, что пока не столкнулся с ограничением, не видит ценности каждого полноценного дня. Если же физически человек полноценен, но ему хочется улучшать, совершенствовать, продолжать какую-то способность до бесконечности, нужно искать мотивы его поступков в его психологических проблемах», – говорит психолог Елена Матвеева. Подтверждением являются люди, которые в добровольном порядке делают себе татуировки на все тело или вживляют в разные части тела железный пирсинг, и все это из стремления к «красоте» или моде, говорят специалисты.

Биология – это золушка среди наук, комментирует биолог Института экологии Волжского бассейна РАН Ирина Исаева: «Биологические технологии сейчас активно используются, даже грипп во многом – это использование биологического оружия. Что касается биосовместимых имплантатов, то многие люди сейчас фантазируют, что у человека будущего вместо одного глаза будет объектив, вместо руки – электронная мышка. Конечно, это фантастика, но кое-что из этих фантазий в будущем может стать реальностью, например, вживленный в ухо аппарат, позволяющий принимать и отвечать на телефонные звонки. Кроме того, человечество может любое изобретение обернуть против себя».

Нельзя отделить научный прогресс от психологической, социальной и нравственной природы человека, считают психологи. Это находит свое отражение и в культуре, недаром российский кинорежиссер Андрей Тарковский так комментировал свой научно-популярный фильм «Солярис»: «Проникновение в сокровенные тайны природы должно находиться в неразрывной связи с прогрессом нравственным. Сделав шаг на новую ступень познания, необходимо другую ногу поставить на новую нравственную ступень. Я хотел доказать своей картиной, что проблема нравственной стойкости, нравственной чистоты пронизывает все наше существование, проявляясь даже в таких областях, которые на первый взгляд не связаны с моралью, например, таких, как проникновение в космос, изучение объективного мира».

Прогресс науки – это неизбежная вещь, считает заведующая детским офтальмологическим отделением, кандидат медицинских наук, врач высшей категории Ольга Жукова: «Он направлен на улучшение жизни человечества, особенно это касается прогресса в медицинской науке. Измерение глазного давления – это то направление, где давно ведутся исследования и разработки, созданы и портативные устройства и многие другие». Будущее медицинской науки намного шире, чем вы представляете, говорит Ольга Жукова. «Это и разработки новых медикаментов, и хирургических технологий. А биосовместимые имплантаты – это лишь одно из многочисленных направлений. Но, конечно, о них все долго мечтали», – объясняет врач.