Náhrada nervových buněk
Je to jen otázka času – nevidomí budou vidět, ochrnutí zase chodit. Čipy převezmou funkce poškozených nervových buněk. Takové experimenty se dnes už provádějí na mnoha univerzitních klinikách.

Inženýři lidských těl

Prosinec 1996: Pan J. R. má záchvat mrtvice s těžkými následky. 53letý muž z Atlanty utrpěl natolik vážné poškození mozku, že je od té doby od hlavy dolů ochrnut. S plnými duševními schopnostmi sedí na vozíku, je odkázán na dýchací automat a nemůže mluvit. Jeho sluch a zrak naštěstí zůstaly funkční, takže se může dorozumívat pohledy. Dvojí mrknutí znamená “ano”, jedno znamená “ne”. Takovéto spojení s vnějším světem je však samozřejmě velice nedostatečné.
Od 24. března 1998 je tomu jinak. Toho dne implantoval Dr. Roy E. Bakay, neurochirurg na Emory University v Atlantě, do mozku J. R. malou skleněnou elektrodu, kterou vyvinul společně se svým kolegou Dr. Phillipem Kennedym z technické univerzity v Georgii.
Tato elektroda posílá nervové signály J. R. přímo do počítače, který je spojen s obrazovkou. J. R. tak dokáže jen silou své myšlenky posunout kurzor na obrazovce. Od října už umí pohybovat kurzorem přes pět vodorovně uspořádaných ikon a aktivovat je. Klepne-li na jednu, napíše počítač např. větu “Mám bolesti” nebo “Prosím, zhasněte světlo”. Nejoblíbenější ikonou J. R. je však “Na brzkou shledanou. Bylo mi potěšením s tebou mluvit.”
Kennedy a Bakay doufají, že díky této elektrodě skončí totální izolace takzvaných upoutaných pacientů, tedy lidí, kteří se ocitli v komunikačním vakuu v důsledku mozkové příhody nebo poruchy míchy.
Upoutaní pacienti, jak dokázali vědci z univerzity v Tübingenu, mohou dokonce komunikovat přes PC, aniž by museli podstoupit operativní zákrok v mozku. Kolektiv soustředěný kolem profesora Nilse Birbaumera z Institutu pro medicínskou psychologii a neurobiologii chování pracuje s pacienty postiženými ALS (amyotrofní laterální skleróza – nemoc, při které jsou svalové funkce těla ochromeny degenerací motorických neuronů). Lékaři měří elektroencefalogramem (EEG) elektrickou mozkovou činnost pacienta pomocí elektrod, které jsou “nalepeny” na pokožce jeho hlavy. Umožňují tak upoutaným pacientům, kteří své okolí vnímají, ale v důsledku onemocnění se nemohou nijak vyjádřit, komunikovat uvědomělým ovládáním mozkových proudů.
Jedním z pacientů tübingenského institutu, jehož ALS upoutala na vozík, je Klaus W. Roku 1997 začal se speciálním tréninkem. Zpočátku posouval pomocí mozkových vln – tzv. pomalých mozkových potenciálů – kurzor na obrazovce vysokou aktivitou do branky na horním okraji obrazovky a uvolněním do branky na jejím spodním okraji.
Postupem doby zvládl podstatně víc – Klaus W. píše na počítači dopisy. Ze skupiny písmen vybírá jednotlivé typy a řadí je za sebe. Výběr jednoho písmene mu trvá asi 30 až 45 sekund. Na dopise o stovce slov pracoval přes dva týdny. Klaus žije doma v péči své rodiny a s počítačem je spojen dvakrát týdně vždy na tři hodiny. Po této době je většinou unaven a pak i četnost úspěchů s ovládáním kurzoru klesne pod 80 %.
Základní výzkum, který pacientům i lékařům v Atlantě a v Tübingenu díky spolupráci dává silné impulzy, významně přispívá k rozvoji speciální výzkumné disciplíny zvané neurotechnologie.
Na celém světě se vědecké projekty z této oblasti soustřeďují na souhru mezi lidským mozkem na jedné straně a řízením protézy nebo strojů na straně druhé. Pokrok se však uskutečňuje jen v malých obtížných krocích. Stále ještě to znamená především shromažďovat základní poznatky o funkcích mozku a složitých vzájemných působeních v lidském organismu.
Profesor Peter Fromherz, ředitel Institutu Maxe Plancka pro biochemii v Martinsriedu u Mnichova, už dlouho pěstuje nervové buňky a v laboratorních pokusech optimalizuje kontakt mezi buňkou a počítačovým čipem. Navzdory intenzivní výzkumné práci se nervovou buňku a čip do přímého kontaktu dosud uvést nepodařilo. Mezírka – ač nepatrná – mezi 10 a 100 nanometry (1 nm = 10-9 m) postačí proteinům či buňkám, aby spojení zabránily. Expert na neurotechnologii proto brzdí ukvapená očekávání úspěchu. “Globálně řečeno, jsem skeptický,” říká Fromherz.
Ačkoliv neurotechnologie ještě není tak daleko, aby uměla plně nahradit tělesné funkce člověka, přebírá elektronika již dnes v některých dílčích oblastech funkci nervového systému. Podaří-li se navázat nervové buňky pacienta na elektronické prvky, může být pomoženo i lidem s nejvyšším stupněm ochrnutí.
Pro mnohé pacienty je tento pokrok medicíny jako malý zázrak. Také pro řemeslníka Jense Kohlera, který po pádu z lešení utrpěl zlomeninu v oblasti sluchových kůstek a ohluchl. “Je to jako nový život,” říká Kohler, “slyším auta na ulici, hlášení na nádraží.” Díky operaci na klinice HNO Vysoké lékařské školy v Hannoveru může opět zasáhnout do debaty mezi přáteli.
Kohler nosí u pasu malou krabičku s řečovým procesorem. Vestavěný mikrofon snímá zvukové vlny, procesor je převádí na elektrické impulzy. Signály se přenášejí na vysílací cívku, kterou má za uchem. Vysílací cívka vyšle signály ke kapsli implantované pod kůží na hlavě. Tento přijímač, tzv. cochlea-implantát (cochlea je hlemýžď ve vnitřním uchu), vede proudové impulzy přes jemnou elektrodu přímo na sluchový nerv. Jako všichni pacienti s tímto implantátem, musí se i Kohler učit s touto naslouchací pomůckou zacházet. Protože byl hluchý jen několik měsíců, probíhá u něj přizpůsobovací proces mnohem rychleji než u pacientů, kteří byli operováni až značnou dobu po ztrátě sluchu.
Naděje pro pacienty s poškozeným sluchem je tedy velká – v mnoha případech lze pomoci. Také obvyklé naslouchací přístroje čipová technika v poslední době hodně vylepšila. Jejich uživatelé totiž většinou trpí zpětnými vazbami a pískáním. Je-li vzdálenost zdroje od ucha příliš malá, což se stává třeba při telefonování, začnou naslouchátka vydávat protivné pištění.
Při použití číslicové techniky firmy Danalogic lze takové šumy vyloučit. V zařízeních je malý počítačový čip, který eliminuje zpětnou vazbu. A co víc – zpracováním zvuků ve čtrnácti frekvenčních pásmech se znatelně zlepšuje i kvalita tónu. Na rozdíl od starých naslouchátek mohou nedoslýchaví se zařízením řízeným čipem jasně rozumět hlasům i při vysoké úrovni hluku v pozadí.
Za úspěchy při poškozeních sluchu vděčí neurotechnologie uspořádání hlemýždě ve sluchovém ústrojí. Impulzy jsou v něm přijímány asi 30 000 vlasovými buňkami a jsou vedeny nervovými buňkami do speciální oblasti mozku. Pokud se funkce některých z těchto vlasových buněk nahradí vyspělou čipovou technikou, člověk slyší alespoň v oblasti důležité pro komunikaci řečí.
V porovnání s uchem je pokus nahradit lidské oko daleko obtížnější. Fotoreceptory, asi 100 milionů buněk, přijímají světelné impulzy, které přes nervové uzliny zásobují zrakový nerv impulzy. V očním pozadí tak má člověk ohromně složitou neuronovou síť. Vědci si dali za úkol simulovat pomocí čipů alespoň část této tkáně.
Na oční klinice univerzity v Tübingenu vyvíjí tým profesora Eberharta Zrennera čip, který se umístí pod sítnici. Lékaři nyní testují snášenlivost různých materiálů s buněčnou tkání a optimalizují čip co do spotřeby energie a výkonnosti. Pracovní skupina již předložila fungující čip (který však ještě vykazuje řadu nedostatků) a vyzkoušela jej na zvířatech. “Než přijdou na řadu lidé,” říká profesor Zrenner, “uplyne určitě ještě několik roků.”
Použití implantátu u slepých pacientů plánují tübingenští výzkumníci po roce 2002. Do té doby budou chirurgové implantovat čip do očí králíkům, potkanům a vepřům.
Na univerzitě v Bonnu se neuroinformatik profesor Rolf Eckmiller jako koordinátor týmu lékařů a techniků z různých výzkumných středisek zabývá alternativní metodou: napodobením fotoreceptorů včetně nervové tkáně v čipu. Inteligentní systém zpracování obrazu má být umístěn v brýlích. Dekódované signály půjdou od vysílače v brýlích k přijímači uvnitř oční bulvy a ten předá elektrické impulzy mikroelektrodami přímo nervovým buňkám v oku.
Jaké obrazy tak vzniknou v mozku pacienta, to záleží na procesu učení, tréninku tzv. retinálního dekodéru. Lze doufat, že pacienti budou schopni rozpoznávat tvar větších objektů.
Oba projekty na téma neurotechnologie oka – projekt profesora Zrennera v Tübingenu a projekt profesora Eckmillera v Bonnu – jsou částí velkoryse rozvrženého podpůrného programu Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum (BMBF), který je nyní realizován pod názvem “Sítnicový implantát”. V roce 1995 bylo na jeho podporu schváleno 18 milionů marek.
Na na dílčích úkolech obou konsorcií pracuje celkem asi 20 týmů z různých univerzit a Fraunhoferových institutů. Projekční skupiny v Německu si do dneška vytvořily v mezinárodním měřítku úctyhodný náskok.
Půjde-li vše podle profesora Rolfa Eckmillera, mohl by se – po pečlivém uvážení – implantát pacientovi poprvé vložit do oka v roce 2002 jako výsledek vývojových prací nedávno založené firmy Intelligent Implants v Bonnu. Tak by první slepec dostal zpět část schopnosti vidět díky neurotechnologii. Profesor Eckmiller je na náskok svého týmu hrdý. “Nevíme o žádném projektu, a to ani v USA ani v Japonsku, který by dokázal vytvořit oční protézu tak rychle.”
Harald Fette

Sklad náhradních dílů s čipovou technikou
Na rozdíl od výzkumu umělých nervových systémů je lékařská technika, pokud jde o náhradu lidských končetin vysoce dokonalými protézami, velmi pokročilá.
Campbell Aird (47 let) ztratil paži při nutné amputaci kvůli rakovině svalstva. V nemocnici Princess Margret Rose Hospital v Edinburghu dostal paži umělou. “To, co vidíme ve filmech s Jamesem Bondem, je ve srovnání s tím slaboučký odvar,” říká hrdě Aird. Pohyb paže a ruky řídí zbylým pahýlem. Mikrosenzory vedou elektrické impulzy, které posílá mozek neexistujícím svalům paže, z pahýlu na protézu. Díky tomu může, podobně jako dřív, pohybovat umělou rukou silou své vůle.
Pod umělou pokožkou ze silikonu je vyspělá elektronika a precizní mechanika. Řada senzorů v paži a v ruce hlásí tlak, který na nich spočívá, potenciometru. Mikročipy řídí pohyby a odměřují smršťování svalů, aby prsty při uchopení předměty nerozdrtily.

“S naším implantátem mohou nejtěžší invalidé konečně opět navázat kontakt s vnějším světem.”
Prof. Roy Bakay, Emory University, Atlanta.

“Naším cílem je vyvinout plně implantovatelný řečový procesor.”
Prof. Thomas Lenarz, klinika HNO Vysoké lékařské školy v Hannoveru.

“Nevíme, kdy se nám podaří navrátit zrak implantátem sítnice.”
Prof. Eberhart Zrenner, oční klinika univerzity v Tübingenu.

Infotipy
www.nero.uni-bonn.de
www.uni-tuebingen.de/subret
www.smart-hearing.com
www.cochlear.com.au