Před šestnácti lety Berny Gomezová prošla možná nejhorším obdobím svého života. Objevily se u ní příznaky toxické optické neuropatie – vlivem toxické látky jí začaly rychle degenerovat zrakové nervy. Do několika dnů kompletně přišla o zrak. Nedávno se ale 60letá žena stala prvním subjektem testu technologie, která zcela obchází zrak a stimuluje přímo tu část mozku, která optické vjemy zpracovává. Po dlouhé době tak Berny uviděla světlo.

Kvůli velkému poškození očního nervu, orgánu pro přenos vizuální informace mezi okem a optickým centrem v mozku, je pro pacienty jako Gomezová nová technologie nejspíš jediným způsobem, jak zrak získat zpět. Zahrnuje totiž desítky miniaturních elektrod zavedených přímo do příslušné části mozku, kterou s vysokou přesností stimuluje a vyvolává tak vizuální vjemy.

Celé zařízení, vytvořené na americké University of Utah a aplikované na španělské Univerzitě Miguela Hernándeze, má tři základní části. První může připomínat brýle pro rozšířenou realitu, mezi obroučkami se skly je totiž digitální kamera, jinak řečeno „umělá sítnice“. Druhou částí je systém pro přenos dat z kamery k zadní části hlavy, kde se nachází vizuální kortex mozku. Přenos může zprostředkovat kabel nebo v pokročilejší fázi proběhne bezdrátově přes Bluetooth.

Nejzásadnějším článkem je pak Utah Electrode Array, čtyři milimetry široký implantát obsahující stovku mikroelektrod, který se voperuje přímo do mozku. Elektrody dlouhé 1,5 milimetru pak dokážou jak zaznamenávat mozkovou aktivitu, tak stimulovat příslušné neurony vizuálního kontextu, zodpovědné za zpracování zrakových informací. Výsledkem je schopnost dříve zcela nevidomému člověku poskytnout alespoň základní vidění a orientovat se tak v prostoru i bez slepecké hole.

Řešení, nesoucí název Moran|Cortivis Prosthesis, není zdaleka jediné svého druhu, dosáhlo ale zatím snad nejslibnějších výsledků. Například britské zařízení Argus II od firmy Second Sight funguje na podobném principu, ale místo neuronů v mozku stimuluje nervy přímo v očích a nefunguje pro pacienty s rozsáhlým poškozeným zraku nebo zrakového nervu. Stejná společnost před pár lety vyvinula Orion I, také zavádějící elektrody do zrakového kortexu. Jeho výsledky nicméně zatím nabídly jen zcela základní vizuální vjemy.

Loni jsme pak na CzechCrunchi psali o zařízení Gennaris z australské Monashovy univerzity. Mikroelektrody jsou zde po 43 kusech umístěné na malých destičkách implantovaných do mozku v sériích (primárně po čtyřech). Funkce i účel je stejná jako u ostatních zmíněných, Gennaris má však za sebou pouze dlouhodobou studii na ovcích. Přechod na člověka je zásadní jednak z hlediska zajištění bezpečnosti a jednak procesem přijetí zařízení, který není vůbec jednoduchý.

Jak porozumět elektrodám v mozku

Berny Gomezová se první dva měsíce od zavedení mozkového implantátu jen učila rozlišit fosfény (mžitky před očima), které náhodně vnímala, od vjemů vyvolaných elektrodami. Až poté bylo možné začít upravovat nastavení zařízení tak, aby poskytlo zkušenost co nejbližší lidskému zraku. Mozek pacientky se zkrátka musel naučit stimuly správně interpretovat, vědci zase správně je posílat.

Jak vysvětluje studie publikovaná ve vědeckém časopise The Journal of Clinical Investigation, velkou výzvou bylo například rozlišování svislých a horizontálních vzorů. Díky tomu i dalším testům se zjistilo, že kromě počtu elektrod na implantátu (přibližně odpovídajícímu pixelovému rozlišení obrazu) záleží také na jejich uspořádání. Celé testování trvalo šest měsíců. V té době Gomezová po šestnácti letech nejen alespoň na chvíli znovu nabyla schopnost rozeznávat lidské siluety a obrysy objektů v prostoru, ale dokonce dokázala identifikovat jednoduché znaky písma.

Kromě konkrétních schopností experiment také ukázal, nakolik je stimulace neuronů mikroelektrodami přesná. Vědci nezaznamenali jakýkoliv zásah do okolí zrakového kortexu mozku a nedocházelo ani k žádnému nezamýšlenému vybuzování neuronů. Implantát navíc vyžadoval výrazně méně elektřiny než jiná řešení, takže lze mluvit i o vyšší bezpečnosti.

Na konci experimentu se Berny Gomezová musela s viděním, které nabyla, opět rozloučit. Samozřejmě to věděla od začátku, přihlásila se ale stejně a pomohla tak učinit další významný krok kupředu v pomáhání lidem futuristickými technologiemi. Její případ toxické nutriční a optické neuropatie, který způsobuje slepotu poškozením očního nervu, je poměrně ojedinělý, zařízení Moran|Cortivis Prosthesis a jim podobná má nicméně potenciál pomoci také mnoha dalším.

„Je zde možnost obnovení vidění u pacientů, kteří o něj přišli prakticky z jakéhokoliv důvodu. I kvůli glaukomu, rakovině, diabetické retinopatii nebo zranění,“ řekl Robert Greenberg z britské firmy Second Sight o zařízení Orion I. Podle dat Světové zdravotnické organizace je dnes po celém světě asi 246 milionů lidí s velice špatným zrakem a 39 milionů lidí trpících kompletní slepotou.

Přímá stimulace mozku mikroelektrodami ale může pomoci také při léčbě kvadruplegie, epilepsie, deprese a dalších poruch. Ostatně elektrodový implantát Utah Electrode Array, který vyvinul Richard Normann, se už před lety testoval u lidí s kvadruplegií či chybějícími končetinami – dovolil jim ovládat umělé paže či ruce skoro stejně, jako by používali svoje vlastní.

Za hranice lidského vidění

Ačkoliv se už teď mluví o naplnění definice bionického vidění, tedy přímé spolupráce technologie s biologií, celý obor je stále teprve v začátcích. Ještě několik let bude nejspíš trvat, než se na trh dostanou mozkové implantáty poskytující alespoň základní úroveň zraku. Další dobrovolníci jako Berny Gomezová například mohou pomoci s testováním stimulace většího počtu neuronů zároveň, aby mozek vytvořil komplexnější obraz. První pacientka měla v mozku jedinou destičku, počítá se ale třeba i s deseti, což by umožnilo desetinásobné zvýšení rozlišení.

Postupný vývoj aplikovaných řešení nicméně nebrání v tom, aby vznikaly také mnohem ambicióznější koncepty pro budoucnost. Už před rokem vědci v hongkongské University of Science and Technology vytvořili model bionického oka, které má potenciál překonat schopnosti toho lidského. Detaily projektu přiblížili ve článku publikovaném v prestižním vědeckém časopise Nature.

Jejich biomimetické (umělé, ale napodobující organické) oko má půlkulatou rohovku, tvořenou z většiny hliníkovým ochranným pláštěm a s čočkou uprostřed. Sítnice se pak skládá z hustého výpletu nanovláken napodobujících fotoreceptory skutečného oka, které zachycují paprsky světla. Jelikož nanovlákna jsou extrémně citlivá na světlo, dokáže umělé oko registrovat infračervené záření – jinak řečeno by zařízení svému nositeli umožnilo vidět v noci.

To je ale jen začátek. Oko hongkongských vědců má kolem 460 milionů nanovláken, kdežto lidská sítnice obsahuje jen asi 10 milionů světlocitlivých buněk. Vedoucí výzkumu Č‘-jung Fan proto magazínu Inverse řekl: „Uživatel našeho umělého oka bude moci vidět menší objekty i dohlédne dále.“ Výzvou samozřejmě zůstává, jak takové zařízení napojit na lidský mozek.

Na řešení tohoto mnohem náročnějšího problému se už několik dekád pracuje také. Ačkoliv ne jediným ani nejpokročilejším, nejznámějším příkladem je startup Neuralink, který před časem ukázal třeba opici ovládající jednoduchou hru jen myslí – něco, co se poprvé podařilo už v počátcích 21. století. V plánu jsou do budoucna mnohem komplexnější úkoly jako už zmíněná léčba deprese nebo kvadruplegie a velice pokročilé rozhraní pro přímou komunikaci mozku s počítačem.