| Komunikace s mozkem – jsme schopni ji protézovat? |
|
prof. MUDr. Josef Syka DrSc. |
| SANQUIS č.84/2011, str. 84 |
| Lidský mozek je nejdokonalejší výtvor přírody. Předčí všechny dosud známé počítače. Na jeho vstupu se nacházejí senzorické orgány, které mozek neustále zásobují proudem informací o vnějším světě a o dění uvnitř těla. Výstupy z mozku řídí činnost tělesných orgánů a vysílají zprávy vnějšímu světu, například ve formě lidské řeči.
|
|
V důsledku četných patologických stavů dochází k zablokování činnosti senzorických orgánů i efektorů. Příčinou může být působení patologických mikrobů a virů nebo toxických látek, poranění, ale i dědičná onemocnění vázaná na geny.
Jak si moderní medicína počíná s protézováním těchto činností? V některých případech není protézování nezbytné, například léze vestibulárního systému jsou často kompenzovány náhradními informacemi ze zrakového či ze somatosenzorického systému. Jiná je však situace v případě ztráty zraku a sluchu, dvou dominantních lidských smyslů, bez nichž není život v současném světě lehký. Přes veškeré úsilí moderní medicíny se stále rodí jedno až dvě děti z tisíce jako neslyšící, meningokok či cisplatina stále připravují o sluch děti i dospělé, retinitis pigmentosa a makulární degenerace zase berou milionům lidí na světě zrak. Kromě hledání příčiny uvedených nemocí a patologických stavů stejně jako účinných látek k jejich léčbě stojí před lékařským výzkumem závažný úkol – nahradit ztracené receptory či celé nervové sítě umělými protézami.
První pokusy v tomto směru pocházejí již ze 60. let minulého století: anglický badatel G. S. Brindley z univerzity v Cambridge uveřejnil v roce 1968 výsledky svých pokusů, při nichž vhojil do zrakové kůry nevidomého pacienta matici osmdesáti elektrod a snažil se o vyvolání záblesků – fosfénů, které by se nakonec naučil pacient systematicky rozeznávat. Pracovní představa byla taková, že si pacient osvojí následkem trénování schopnost získávat touto cestou zrakové informace a někdy později snad bude schopen i číst. I když v závěru své práce vyslovil Brindley přesvědčení, že se jeho prototyp osvědčil a že po přizpůsobení bude možné na jeho základě vyvinout zrakovou neuroprotézu, jeho záměr se až do dnešní doby neuskutečnil.
Potrvá ještě mnoho let, než budeme schopni protézovat zrak. Hlavní příčinou tohoto neutěšeného stavu je, že ztráta zraku se obvykle pojí se zánikem funkce celé sítnice. Ta představuje neuvěřitelně komplikovaný systém receptorů, nervových a gliových buněk, o jejichž funkci zatím víme jen velmi málo.
V téměř stejné době jako G. S. Brindley ve Velké Británii se zabývali badatelé na několika místech světa vývojem elektronické náhrady ztraceného sluchu. V Austrálii to byl především fyziolog a otolaryngolog Graeme Clark, který vyzkoušel nejprve na opicích a později u pacientů stimulaci sluchového nervu pomocí vhojených elektrod. Jiná skupina vědců prováděla podobné pokusy v Houseově ústavu v Los Angeles. Vytvořit smysluplnou a fungující sluchovou neuroprotézu se ukázalo jako mnohem jednodušší než v případě náhrady zraku.
|
|
|
U ztráty sluchu se v naprosté většině jedná o neexistenci receptorových – vláskových buněk. V lidském vnitřním uchu se jich nachází 3500 a pojí se s čtyřiceti tisíci vlákny sluchového nervu. Kromě toho je vnitřní ucho vybaveno ještě dvanácti tisíci vnějších vláskových buněk, které nám zajišťují velmi nízkou hodnotu sluchového prahu. Naproti tomu má lidské oko 125 milionů receptorů, tyčinek a čípků, které předávají informaci mnoha nervovým buňkám sítnice a tuto informaci přenáší do mozku jeden milion vláken zrakového nervu. Již z porovnání uvedených čísel vyplývá, že snaha o náhradu sítnice znamená mnohem náročnější úkol než u nefunkčních nebo častěji neexistujících sluchových receptorů.
Zrakové náhrady
Při nejčastější chorobě sítnice, retinitis pigmentosa, odumírají buňky pigmentového epitelu relativně pomalu a s nimi zanikají i příslušné receptory. Úlohou zrakového implantátu je převzít funkci zaniklých receptorů a převést informaci přes buňky amakrinní a bipolární na přežívající buňky gangliové, jejichž výběžky představují vlákna zrakového nervu. Proto se umisťují pokusné implantáty nejčastěji ve formě destičky obsahující matici dráždicích elektrod buď na povrchu sítnice, epiretinálně, nebo mezi vrstvou receptorů a pigmentovým epitelem, tzn. subretinálně.
Vstup matice elektrod pochází obvykle z miniaturní kamery, umístěné před okem, přenos signálu může být transkutánní – konektorem, anebo bezdrátově – vysíláním signálu na přijímací cívku v oku. Signál z kamery se do oka může přenášet také miniaturním laserem, jehož paprsek dopadá na fotodiodu, umístěnou v oku.
Epiretinální či subretinální verzi implantátu dnes vyvíjí několik laboratoří na světě, visus u nevidomých bývá při jejich užívání omezen na velmi hrubé rozeznání rozhraní tmy a světla. Cesta vedoucí k náhradě zraku u nevidomých přímou elektrickou stimulací zrakové kůry z matice vhojených elektrod, tak jak ji ve svém pionýrském pokusu prováděl Brindley, byla dnes prakticky opuštěna. Elektrické dráždění kůry totiž vyvolává velmi složité vjemy, které ani po delší době adaptace nevedou k jednoduchému vnímání zrakového prostoru.
Kochleární implantáty
Naprosto odlišná a mnohem pozitivnější je situace na poli protézování sluchu. Zde se nepotýkáme s problémem náhrady složité struktury receptorů a nervových buněk, ale pouze s náhradou zaniklých receptorů vnitřního ucha, resp. jeho sluchové části. Využíváme znalostí získaných při výzkumu funkce vnitřního ucha, a to hlavně těch, které se týkají frekvenční filtrace zvuku.
Zjednodušeně lze říci, že sluchová část vnitřního ucha funguje jako frekvenční či spektrální filtr. Receptory umístěné ve vstupní bazální části hlemýždě vnitřního ucha jsou citlivé především na vysoké tóny, naproti tomu receptory v nejvzdálenější části hlemýždě reagují na tóny nízké. Zjištění, jaké jsou frekvence zvuku vstupujícího do zvukovodu, probíhá v kochleárním implantátu v elektronickém čipu, který je podobně jako u sluchadel umístěn v závěsné části zařízení za uchem a obsahuje kromě elektronického frekvenčního filtru ještě vysílací cívku. Ta přenáší signály v digitální podobě na vhojenou cívku pod kůží, umístěnou ve vyhloubené jamce kosti skalní. Přenos je bezdrátový, a proto nehrozí riziko infekce. Z implantovaného přijímacího obvodu vychází svazek několika desítek miniaturních elektrod – drátků, které se zakončují v různých částech hlemýždě. V operační fázi totiž operatér vsune svazek elektrod co nejdále do jednoho z kanálků hlemýždě – scala tympani. Prostřednictvím elektrod je nepatrným elektrickým proudem drážděna vždy malá oblast hlemýždě a v závislosti na místě zakončení drátku – elektrody, vzniká vjem nízkého nebo vysokého tónu. Podmínkou sine qua non je přítomnost funkčních vláken sluchového nervu. Ty pak přenesou informaci již normálním způsobem do centrálního sluchového systému.
|
|
 | | Schéma kochleárního implantátu. Z implantované přijímací cívky vychází svazek elektrod, který je v průběhu operace zaveden skrze oválné okénko do hlemýždě vnitřního ucha. Zde se jednotlivé elektrody postupně zakončují. |
|
|
Kochleární implantáty má dnes vhojeno a úspěšně používá na světě přes 100 tisíc původně neslyšících. V České republice byla nedávno provedena pětistá implantace, a to na otorinolaryngologické klinice 2. LF UK v Praze-Motole, jež operuje kochleární implantát, označovaný také jako sluchová neuroprotéza, dětským pacientům. I dospělí dostávají kochleární implantát v Motole – na Klinice otorinolaryngologie a chirurgie hlavy a krku 1. LF UK.
Převážná většina nositelů kochleárního implantátu se rekrutuje z řad dětí, neboť pro neslyšící děti má úspěšná implantace dvojí benefit – nejenže se naučí vnímat svět zvuků, ale navíc se u nich rozvine schopnost rozumět řeči a naučí se mluvit. To samozřejmě pouze tehdy, když se implantát vhojí v raném období vývoje, nejlépe během prvních dvou let života. V pátém roce života se okno pro rozvoj řeči uzavírá a zůstává pouze schopnost vnímat zvuky. Je třeba si však uvědomit, že samotná implantace zařízení (v České republice je každoročně zavedeno asi čtyřiceti neslyšícím) ještě není zárukou, že pacient bude dobře slyšet, že porozumí řeči a – v případě malých dětí – že se také naučí mluvit.
Po implantaci následuje dlouhá, někdy až dva roky trvající náročná rehabilitace, kdy se postupně zlepšuje vnímání zvuků. Pokrok v tomto směru je individuální a dosažené výsledky se též liší. V naprosté většině případů nositelé implantátu rozumí mluvené řeči a komunikují, aniž by museli používat znakovou řeč.
Vývoj a výroba kochleárních implantátů probíhají prakticky pouze ve třech světových firmách: v australské firmě Cochlear, u jejíhož zrodu stál pionýr světa kochleárních implantátů Graeme Clark, v rakouské firmě MED-EL, kterou založili a vedou manželé Ingeborg a Erwin Hochmairovi, a v americké firmě Advanced Bionics. V České republice jsou dominantně již od roku 1990 implantována zařízení firmy Cochlear.
Nové experimenty
Výsledky některých studií, zabývajících se protézováním spojů lidského mozku se světem, sahají někdy až do oblasti science fiction. Jedna z nich pochází z laboratoře F. Guenthera z Bostonské univerzity ve Spojených státech a zaměřuje se na pomoc pacientům s amyotrofickou laterální sklerózou (ALS). U nich zůstává funkce mozku do značné míry zachována, ale postupně se zhoršuje možnost ovládání mluvidel, a tím také možnost komunikace se světem.
Specificky byla metoda aplikována u pacienta, u něhož vyřadila mozková mrtvice z činnosti nervové dráhy v mozkovém kmeni, ovládající svaly mluvidel (syndrom uzamčení). Pacientovi ve věku 26 let implantovali do části levého čelního laloku, určené ke generování řeči (tzv. Brocova oblast), zařízení, které se skládalo ze speciálně upravené dvoukanálové mikroelektrody, zesilovače a vysílače signálu magnetoindukční cestou, tj. přes neporušenou lebku a kůži do přijímacího zařízení, umístěného na povrchu kůže hlavy.
|
|
 | | Speciální set k protézování zraku: v brýlích jsou umístěny světločivé elementy, jejich výstupy se po zpracování v elektronických čipech vysílají magnetoindukční cestou na přijímací cívku umístěnou na povrchu očního bulbu. Odtud pak drátky vedou k matici elektrod, které leží epiretinálně či subretinálně a dráždí buňky sítnice. |
|
|
Zcela nová a originální byla v případě popisovaného převodníku dvoukanálová mikroelektroda, určená ke snímání akčních potenciálů nervových buněk v Brocově oblasti. Jednalo se o skleněnou kapiláru, do které po implantaci do motorické kůry pacienta vrostly výběžky nervových buněk, a uvnitř kapiláry umístěné zlaté miniaturní drátky pak snímaly akční potenciály vrostlých nervových výběžků. Místo pro usazení mikroelektrody v mozku bylo určeno pomocí funkční magnetické rezonance – pacient měl za úkol sledovat zrakem předměty, které mu experimentátor promítal na obrazovce, a v duchu je měl pojmenovávat. Maximální aktivace mozku se projevovala v místě čelního laloku, které bylo aktivní právě při pojmenovávání předmětů.
Naprostá jedinečnost práce tkvěla v zavedení zpětné vazby do zpracování signálu z nervových buněk, snímaného z mikroelektrody. Zpětnou vazbu představoval v tomto případě syntezátor zvukového signálu, napojený na výstup z procesorů elektrického signálu, a také sám pacient, resp. jeho mozek.
Abychom tomu porozuměli, musíme nejprve uvést, že výsledkem celé práce byla schopnost zařízení generovat na základě povelů z pacientova mozku samohlásky. Samohlásky lze v nejjednodušší formě vytvořit kombinací dvou čistých tónů, tzv. formantů. Například první a druhý formant samohlásky „A“ tvoří tóny 780 Hz a 1240 Hz, u samohlásky „I“ se jedná o tóny 260 Hz a 1990 Hz. Pacient dostal instrukce, aby vůlí měnil v mozku příkazy pro vyslovení jednotlivých samohlásek. V průběhu jednotlivých lekcí učení se pacient stále zdokonaloval v generování signálu pro jednotlivé samohlásky, stačilo k tomu, aby slyšel akustický signál ze syntezátoru. Zatím jeho výkon nedosáhl takové úrovně, aby mohl touto cestou ovládat složitější součást řeči – tedy souhlásky.
Sci-fi skutečností?
Výzkum v tomto směru na Bostonské univerzitě pokračuje. Práce však naznačila možné cesty, jak bude možné protézovat komunikaci mezi mozkem a světem i u velmi těžkých defektů senzorických a motorických drah. Science fiction se v tomto případě stává skutečností.
|
|
Ilustrační foto: Dreamstime, schéma: Canadian Hard of Hearing Association, Dr. Elliot McGucken – University of North Carolina, Chapel Hill, USA
|
|
|
 |
obsah čísla 84 |
 |
ročník 2011 |
|
témata |
|
| SANQUIS PLUS |
|
| GALERIE SANQUIS |
|
| PORADNA |
|
|
