Немецкая премия будущего (часть 2)

Сегодня мы завершаем рассказ о четырёх инновационных проектах, вышедших в финал конкурса на соискание Немецкой премии будущего за 2006-й год. Неделю назад мы представили проект-победитель и ещё одного из финалистов, теперь на очереди – остальные два проекта. Хотя премии они не удостоились, сам факт их выхода в финал служит доказательством того, что речь и тут идёт о выдающихся инновациях, а значит, о них стоит рассказать поподробнее.

Начнём с проекта под названием «Разработка нового типа нейростимулятора с использованием методов статистической физики и нелинейной математики». Авторы этой разработки – два профессора: Петер Тасс (Peter A. Tass), медик и математик, сотрудник Научно-исследовательского центра Общества имени Гельмгольца в Юлихе, и Фолькер Штурм (Volker Sturm), видный нейрохирург, заведующий кафедрой стереотаксии и директор специализированной клиники Кёльнского университета. Но прежде, чем перейти к рассказу об инновациях, предложенных этими учёными, нелишне, наверное, напомнить, что же такое нейростимулятор. Профессор Тасс поясняет:

Нейростимулятор представляет собой электрод, вживляемый в определённый участок головного мозга. С помощью тонкого кабеля, протянутого под кожей, этот электрод соединён с батарейкой и электронным блоком управления.

Кому же имплантируют такие устройства? Прежде всего, тем, кто страдает болезнью Паркинсона. В одной только Германии их насчитывается 150 тысяч – таковы данные официальной медицинской статистики. Многие независимые эксперты полагают, однако, что эта цифра сильно занижена и что на самом деле болезнью Паркинсона страдают от 250-ти до 400-т тысяч немцев. Это тяжёлое хроническое заболевание недаром называется также дрожательным параличом: речь идёт о прогрессирующем расстройстве двигательных функций, которое выражается в треморе – то есть дрожании – конечностей. Пациенты – как правило, речь идёт о пожилых людях, – постепенно утрачивают контроль над своими движениями. Со временем тремор усиливается настолько, что больной теряет способность ходить и не может самостоятельно себя обслуживать. Как правило, тремор сопровождается ослаблением мимических реакций и ригидностью мышц, то есть резким повышением их тонуса и сопротивляемости деформирующим усилиям. Причины болезни пока до конца не изучены, однако считается, что паркинсонизм вызывается тяжёлой патологией подкорковых структур головного мозга – поражением так называемой экстрапирамидной системы, которая осуществляет непроизвольную, автоматическую регуляцию и координацию сложных двигательных процессов. Было замечено, что болезнь сопровождается дефицитом дофамина и ряда других нейромедиаторов – веществ, выполняющих функцию химических посредников, то есть осуществляющих передачу нервных импульсов. Долгое время считалось, что этот дефицит дофамина приводит к массовой гибели клеток в определённых участках головного мозга, вследствие чего и развивается типичная симптоматика паркинсонизма. И если в какой-то момент на поздней стадии болезни медикаменты переставали помогать, врачи разводили руками: больше они ничего сделать не могли. Однако 13 лет назад в ходе экспериментов на животных неожиданно выяснилось, что на самом деле всё происходит иначе и что дефицит дофамина приводит не к органическим, а лишь к функциональным поражениям: нервные клетки вовсе не гибнут, они только «сбиваются с ритма». Оказалось, что один небольшой, размером с горошину, участок головного мозга начинает испускать сигналы синхронно, «залпами», в результате чего осцилляции, то есть биоэлектрические взаимосвязи с другими участками мозга, нарушаются. Этот факт открыл совершенно новые перспективы в терапии болезни Паркинсона. Тогда-то профессор Штурм и начал имплантировать в головной мозг пациентов нейростимуляторы, призванные с помощью собственных электрических импульсов восстановить правильный ритм работы того самого участка размером с горошину, который, собственно, и является главным виновником всех последующих сбоев. Такая имплантация производится в два этапа, – поясняет профессор Штурм:

Мы имплантируем тонкие зонды, тонкие электроды диаметром всего в 0,8 миллиметра в тот самый аномально ведущий себя регион головного мозга. Для этого в черепной коробке пациента под местным наркозом высверливается небольшое отверстие диаметром около одного миллиметра. Через это отверстие в мозг вводится электрод – длинная, до 30-ти сантиметров, платиновая спица. Электрод крепится в черепной кости так, чтобы была обеспечена его неподвижность.

Успех этого этапа операции в значительной мере зависит от того, насколько точно определена поражённая недугом область мозга и насколько точно в неё удаётся внедрить электрод. Компьютеры анализируют данные магнитно-резонансной томографии и рентгеновские снимки, создают трёхмерную карту мозга и на основе этой информации рассчитывают оптимальное расположение точки введения электрода и его дальнейшую траекторию с точностью до микронов, – говорит профессор Штурм:

Основное время мы проводим за компьютером, тщательно планируя операцию, поскольку наиважнейшим моментом в ней является точная локализация цели, то есть той точки, в которую должен быть введён электрод. Благодаря такой методике и компьютерным расчётам нам удаётся, с одной стороны, добиться максимальной эффективности в том, что касается воздействия на клетки, поражённые болезнью Паркинсона, а с другой стороны, свести практически к нулю риск причинить вред здоровым клеткам.

Вторая стадия операции проводится 3 дня спустя и состоит в том, что под кожей пациента протаскивается тонкий – и, конечно, биосовместимый, – жгут кабелей. С одного конца этот жгут присоединяется к электроду, с другого – к микрочипу-нейростимулятору, который вживляется под кожу в грудную мышцу наподобие широко распространённого сегодня кардиостимулятора. Этот микропроцессор, собственно, и посылает на вживлённый в мозг электрод по проложенным под кожей проводам электрические импульсы напряжением в 2-3 вольта, заставляя «сбившиеся с ритма» нервные клетки вновь функционировать нормально. Такой нейрохирургический метод лечения симптомов болезни Паркинсона часто даёт отличные результаты, – говорит профессор Штурм:

Есть много пациентов, которые прежде были не в состоянии ходить, практически едва передвигались, а теперь они уже способны сами себя обслуживать, обрели почти полную самостоятельность. Более того, в некоторых случаях нам удалось вернуть больным трудоспособность.

Но, к сожалению, у этого метода есть и недостатки. Так, некоторые пациенты вообще не реагируют на нейростимуляцию, у других она вызывает побочные эффекты. Профессор Штурм поясняет:

В отдельных случаях у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, такая нейростимуляция может вызвать, скажем, нарушения речи. То есть моторика значительно улучшается, однако речь становится затруднённой.

Кроме того, эффективность нейростимуляции со временем ослабевает и даже может совсем сойти на нет. Всё это и побудило профессор Тасса совместно с профессором Штурмом разработать нейростимулятор нового поколения. Он не подавляет импульсы, испускаемые больными клетками, а модифицирует их так, чтобы они максимально походили на импульсы здоровых нейронов. То есть повышенная активность поражённого болезнью участка мозга не гасится, а лишь десинхронизируется. В основе этой разработки лежат сложные математические вычисления и компьютерное моделирование. Конечно, новый нейростимулятор программируется сугубо индивидуально. Более того, в процессе работы он сам гибко варьирует свой алгоритм, – говорит профессор Тасс:

Он использует когнитивные и динамические законы функционирования мозга, принципы его самоорганизации для получения оптимального эффекта, то есть для того, чтобы минимальными токами обеспечить максимальное и не слабеющее со временем подавление симптомов.

Пока новый нейростимулятор испробован на 15-ти пациентах и дал отличные результаты. Важно также, что он способен облегчить жизнь не только людям, страдающим болезнью Паркинсона. По мнению профессора Тасса, он найдёт применение и в терапии некоторых других заболеваний:

Я имею в виду заболевания, характеризуемые чрезмерно сильной синхронной мозговой активностью. Если говорить о неврологии, то это, в первую очередь, эпилепсия, расстройства движений, рассеянный склероз, а также дисфункции, вызванные инсультом. А в области психиатрии это, прежде всего, депрессии и маниакальные состояния.

Работа над новым нейростимулятором продолжается. Пока он великоват для имплантации, однако профессор Тасс не сомневаются, что прибор удастся миниатюризировать в течение 2-х лет:

Я полагаю, что самое позднее в 2009-м году мы будет иметь имплантат, пригодный для широкого клинического применения.

Справедливости ради следует отметить, что есть и ещё несколько нерешённых проблем. В частности, микропроцессорные имплантаты требуют регулярного «техобслуживания» – например, периодической замены генератора и элементов питания. Их хватает не более чем на три года, а замена требует каждый раз ещё одной, пусть и несложной, хирургической операции. Впрочем, подобного рода неудобства – конечно, мелочь по сравнению с положительным эффектом такой терапии. Другое дело – её высокая стоимость. Первичная операция обходится в 16 тысяч евро, каждая замена генератора – в 12 тысяч. А вопрос о том, должны ли будут больничные кассы оплачивать эти операции, ещё не решён. Между тем, очевидно, что без помощи больничных касс лишь очень незначительная часть пациентов, страдающих болезнью Паркинсона, сможет оплатить лечение из собственного кармана.

А теперь мы расскажем о последнем проекте-финалисте – последнем по порядку, но не по важности. Он называется «Ассистент ночного видения для повышения безопасности дорожного движения». Как следует из названия, речь идёт о системе, позволяющей водителю автомобиля ночью лучше видеть дорогу. О том, сколь насущна эта проблема, свидетельствует статистика: в Германии почти половина всех дорожно-транспортных происшествий со смертельным исходом происходит в тёмное время суток, хотя интенсивность движения в ночные часы втрое ниже, чем днём.

Эта система разработана совместно технологической компанией «Robert Bosch» и автомобилестроительным концерном «DaimlerChrysler». Руководитель проекта Юрген Зеекирхер (Jürgen Seekircher), инженер «DaimlerChrysler», говорит:

Ассистент ночного видения – это своего рода электронный вариант дальнего света. Только мы освещаем дорогу невидимым светом. Он не слепит водителей встречных машин, а потому может быть включён постоянно.

Невидимый свет – это инфракрасные, то есть тепловые лучи, которые лежат в основе любого прибора ночного видения. Но данный автомобильный ассистент – система гораздо более сложная. Петер Кнолль, сотрудник компании «Robert Bosch», поясняет:

Модифицированные фары посылают вперёд инфракрасные лучи. А специальная камера, размещённая внутри салона сразу за ветровым стеклом, сверху, возле зеркала заднего вида, регистрирует это изображение. Камера обладает особо высокой чувствительностью именно в этом диапазоне длин волн, для человека невидимом. Картинку, регистрируемую камерой, водитель видит на мониторе, вмонтированном в приборную доску рядом со спидометром.

Самый интересный в технологическом отношении элемент системы – камера. Она обладает гораздо более высоким разрешением, чем, скажем, стандартные приборы ночного видения. Но это далеко не всё, – говорит третий участник проекта – инженер компании «Robert Bosch» Манфред Майснер (Manfred Meißner):

Камеру отличает не только высокая чувствительность, но и прочность. Это первая камера, которая в полной мере отвечает требованиям эксплуатации в автомобиле. Рабочий диапазон температур камеры составляет от сорока градусов мороза до более чем ста градусов тепла. Столь высокие температуры под ветровым стеклом – не фантазия, а реальность, если автомобиль стоит под палящим солнцем.

Несмотря на сложность конструкции, в которую входит ещё и миникомпьютер, с точки зрения водителя ассистент работает очень просто и очень эффективно, – подчёркивает Петер Кнолль:

Стоит вам включить систему – а для этого нужно нажать небольшую кнонку рядом с переключателем света, – как на мониторе появляется изображение, регистрируемое камерой. Если ночью на просёлочной дороге вам попадётся навстречу другой автомобиль, он вас почти наверняка ослепит. Перед глазами возникнет что-то вроде большого чёрного пятна. Но вам достаточно бросить короткий взгляд на приборную доску, чтобы тотчас увидеть картинку на мониторе. И на этой картинке отчётливо видно, нет ли рядом со встречной машиной или за ней, скажем, пешехода, или велосипедиста, или ещё какого-то препятствия.

Если иметь в виду, что правильно отрегулированный ближний свет автомобиля ограничен дистанцией в 50-70 метров, а ассистент ночного видения освещает дорогу на расстояние в 160-ти метров, преимущества такой системы не вызывает сомнений. Юрген Зеекирхер говорит:

Камера впервые дала нам возможность снабдить автомобиль полноценными органами зрения. Тем самым мы открыли путь к созданию совершенно нового класса автомобильных ассистентов. Подобные системы смогут в будущем своевременно замечать красный сигнал светофора, регистрировать дорожные знаки, следить за дорожной разметкой. Всё это обеспечит не только более высокий уровень безопасности, но и более высокий уровень комфорта.

Впрочем, ассистент ночного видения выпускается уже сегодня и может быть – по желанию покупателя – установлен в автомобиле – правда, пока только в «Мерседесе» S-класса и только за дополнительную плату. Система обойдётся примерно в 2 тысячи евро – пустяки для тех, кто может себе позволить такой автомобиль представительского класса, но явно слишком дорого, чтобы это устройство получило массовое распространение. Представитель одного из автосалонов на вопрос, кто же заказывает эту систему, отвечает:

Прежде всего, это клиенты, интересующиеся самыми последними новинками. Такие покупатели есть, и их немало. В то же время ассистент берут клиенты, придающие очень большое значение безопасности.

Кстати, и надувные подушки безопасности, и противоблокировочное устройство тормозной системы, и электронная программа стабилизации ходовой части – всё это ещё недавно было недоступной роскошью, а теперь уже является элементом базовой комплектации почти любого автомобиля.