Các kỹ sư điện và y sinh tại UNSW Sydney đã phát triển một phương pháp mới để đo lường hoạt động thần kinh bằng cách sử dụng ánh sáng – chứ không phải điện năng – có thể dẫn đến việc mô phỏng lại hoàn toàn các công nghệ y tế như bộ phận giả vận hành bằng dây thần kinh và giao diện não-máy.
Giáo sư François Ladouceur, thuộc Trường Kỹ thuật Điện và Viễn thông của UNSW, cho biết nhóm đa ngành vừa chứng minh trong phòng thí nghiệm điều mà họ đã chứng minh về mặt lý thuyết ngay trước đại dịch: rằng các cảm biến được chế tạo bằng công nghệ quang học tích hợp và tinh thể lỏng – được gọi là ‘optrodes’ — có thể ghi lại các xung thần kinh trong cơ thể động vật sống.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Giáo sư Ladouceur cho biết các quang điện tử này không chỉ hoạt động tốt như các điện cực thông thường – sử dụng điện để phát hiện xung thần kinh – mà chúng còn giải quyết “những vấn đề rất hóc búa mà các công nghệ cạnh tranh không giải quyết được”.
“Đầu tiên, rất khó để thu nhỏ kích thước của giao diện bằng cách sử dụng các điện cực thông thường để hàng nghìn trong số chúng có thể kết nối với hàng nghìn dây thần kinh trong một khu vực rất nhỏ.
“Một trong những vấn đề khi bạn thu nhỏ hàng ngàn điện cực và đặt chúng gần nhau hơn để kết nối với các mô sinh học là điện trở riêng lẻ của chúng tăng lên, làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm nên chúng tôi gặp khó khăn khi đọc tín hiệu. Chúng tôi gọi “sự không phù hợp trở kháng” này.
“Một vấn đề khác mà chúng tôi gọi là ‘nhiễu xuyên âm’ — khi bạn thu nhỏ các điện cực này lại và đưa chúng lại gần nhau hơn, chúng bắt đầu nói chuyện hoặc ảnh hưởng lẫn nhau do ở gần.”
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu thiết kế chất điện phân thế hệ tiếp theo cho pin kim loại lithium.
Nhưng vì các quang điện tử sử dụng ánh sáng chứ không phải điện để phát hiện các tín hiệu thần kinh, nên các vấn đề về sự không phù hợp trở kháng là không cần thiết và nhiễu xuyên âm được giảm thiểu.
Giáo sư Ladouceur nói: “Ưu điểm thực sự của phương pháp của chúng tôi là chúng tôi có thể làm cho kết nối này rất dày đặc trong miền quang và chúng tôi không phải trả cái giá mà bạn phải trả trong miền điện”.
Trong nghiên cứu được công bố gần đây trên Tạp chí Kỹ thuật thần kinh, Giáo sư Ladouceur và các nhà nghiên cứu đồng nghiệp tại UNSW muốn chứng minh rằng họ có thể sử dụng quang điện tử để đo chính xác các xung thần kinh khi chúng di chuyển dọc theo sợi thần kinh ở động vật sống.
Giáo sư Khoa học Nigel Lovell, người đứng đầu Trường Cao học Kỹ thuật Y sinh và là Giám đốc Viện Kỹ thuật Y tế Tyree Foundation, là thành viên của nhóm nghiên cứu tìm cách chứng minh điều này trong phòng thí nghiệm.
Ông nói rằng nhóm nghiên cứu đã kết nối một optrode với dây thần kinh tọa của một con vật đã được gây mê. Sau đó, dây thần kinh được kích thích bằng một dòng điện nhỏ và các tín hiệu thần kinh được ghi lại bằng optrode. Sau đó, họ làm điều tương tự bằng cách sử dụng điện cực thông thường và bộ khuếch đại sinh học.
>> Tham khảo: Cải thiện trong nông nghiệp thông minh giúp giảm biến đổi khí hậu.
Giáo sư Lovell cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng các phản ứng thần kinh về cơ bản là giống nhau. “Vẫn còn nhiều tiếng ồn hơn trong quang học, nhưng điều đó không có gì đáng ngạc nhiên vì đây là công nghệ hoàn toàn mới và chúng tôi có thể nghiên cứu về điều đó. Nhưng cuối cùng, chúng tôi có thể xác định các đặc điểm giống nhau bằng cách đo điện hoặc quang.”
Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã có thể chỉ ra rằng các xung thần kinh – tương đối yếu và được đo bằng microvolt – có thể được đăng ký bằng công nghệ optrode.
Bước tiếp theo sẽ là mở rộng quy mô số lượng optrode để có thể xử lý các mạng phức tạp gồm các mô thần kinh và dễ bị kích thích.
Giáo sư Ladouceur cho biết khi bắt đầu dự án, các đồng nghiệp của ông đã tự hỏi, một người đàn ông hay phụ nữ cần bao nhiêu kết nối thần kinh để vận hành một bàn tay ở mức độ khéo léo?
“Rằng bạn có thể nhấc một vật lên, bạn có thể phán đoán lực ma sát, bạn có thể tác dụng lực vừa phải để giữ nó, bạn có thể di chuyển từ A đến B một cách chính xác, bạn có thể đi nhanh và chậm — tất cả những điều này mà chúng tôi thậm chí không nghĩ đến khi chúng tôi thực hiện những hành động này.
Câu trả lời không quá rõ ràng, chúng tôi đã phải tìm kiếm khá nhiều trong tài liệu, nhưng chúng tôi tin rằng đó là khoảng 5000 đến 10.000 kết nối.”
>> Tham khảo: Chuyển đổi thông tin di truyền từ DNA sang protein: vai trò của mRNA.
Nói cách khác, giữa bộ não và bàn tay của bạn có một bó dây thần kinh đi xuống từ vỏ não và cuối cùng chia thành 5000 đến 10.000 dây thần kinh điều khiển các hoạt động tinh vi của bàn tay bạn.
Nếu một con chip với hàng nghìn kết nối quang học có thể kết nối với não của bạn hoặc một vị trí nào đó trên cánh tay trước khi bó dây thần kinh tách ra, thì một bàn tay giả có khả năng hoạt động với khả năng tương tự như bàn tay sinh học.
Dù sao thì đó cũng là giấc mơ và Giáo sư Ladouceur nói rằng có thể phải mất nhiều thập kỷ nghiên cứu sâu hơn trước khi nó trở thành hiện thực.
Điều này sẽ bao gồm việc phát triển khả năng cho các optrodes là hai chiều. Họ không chỉ nhận và giải thích các tín hiệu từ não trên đường đến cơ thể, mà còn có thể nhận được phản hồi dưới dạng các xung thần kinh quay trở lại não.
Bộ phận giả thần kinh không phải là không gian duy nhất mà công nghệ optrode có khả năng xác định lại. Con người từ lâu đã mơ tưởng về việc tích hợp công nghệ và máy móc vào cơ thể con người để sửa chữa hoặc tăng cường nó.
>> Tham khảo: Chip máy tính nhanh hơn và hiệu quả hơn nhờ germanium.
Một số điều này hiện đã trở thành hiện thực, chẳng hạn như cấy ghép ốc tai điện tử, máy tạo nhịp tim và máy khử rung tim, chưa kể đến đồng hồ thông minh và các thiết bị theo dõi khác cung cấp phản hồi sinh học liên tục.
Nhưng một trong những mục tiêu đầy tham vọng hơn trong kỹ thuật y sinh và khoa học thần kinh là giao diện não-máy nhằm mục đích kết nối não với không chỉ phần còn lại của cơ thể mà còn có thể là cả thế giới.
Giáo sư Lovell cho biết: “Lĩnh vực giao tiếp thần kinh là một lĩnh vực vô cùng thú vị và sẽ là chủ đề được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ trong thập kỷ tới”.
Mặc dù điều này là hư cấu hơn là thực tế ngay bây giờ, nhưng có rất nhiều công ty công nghệ sinh học đang rất coi trọng điều này.
Doanh nhân Elon Musk là một trong những người đồng sáng lập Neuralink nhằm mục đích tạo ra các giao diện não-máy tính có khả năng giúp đỡ những người bị liệt cũng như kết hợp trí tuệ nhân tạo vào các hoạt động não bộ của chúng ta.
Phương pháp Neuralink sử dụng các điện cực dây thông thường trong các thiết bị của nó, vì vậy nó phải vượt qua sự không phù hợp trở kháng và nhiễu xuyên âm – trong số nhiều thách thức khác – nếu họ muốn phát triển các thiết bị lưu trữ hàng nghìn, nếu không muốn nói là hàng triệu kết nối giữa não và thiết bị cấy ghép. Gần đây, ông Musk được cho là đã thất vọng với tốc độ phát triển công nghệ chậm chạp.
>> Tham khảo: Pin mặt trời siêu mỏng hứa hẹn cải thiện hiệu suất vệ tinh.
Giáo sư Ladouceur cho biết thời gian sẽ trả lời liệu Neuralink và các đối thủ cạnh tranh có thành công trong việc loại bỏ những trở ngại này hay không.
Tuy nhiên, do các thiết bị in vivo có thể cấy ghép nắm bắt hoạt động thần kinh hiện bị giới hạn ở khoảng 100 điện cực, nên vẫn còn một chặng đường dài phía trước.
Giáo sư Ladouceur nói: “Tôi không nói rằng điều đó là không thể, nhưng sẽ thực sự có vấn đề nếu bạn chỉ sử dụng các điện cực tiêu chuẩn.
“Chúng tôi không gặp những vấn đề này trong lĩnh vực quang học. Trong các thiết bị của chúng tôi, nếu có hoạt động thần kinh, sự hiện diện của nó sẽ ảnh hưởng đến hướng của tinh thể lỏng mà chúng tôi có thể phát hiện và định lượng bằng cách chiếu ánh sáng vào nó. Điều đó có nghĩa là chúng tôi không trích xuất dòng điện từ các mô sinh học giống như các điện cực dây. Và do đó, quá trình cảm biến sinh học có thể được thực hiện hiệu quả hơn nhiều.”
Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng phương pháp optrode hoạt động trong cơ thể sống, họ sẽ sớm công bố nghiên cứu cho thấy công nghệ optrode là hai chiều — rằng nó không chỉ có thể đọc tín hiệu thần kinh mà còn có thể viết chúng.
