Lắng nghe lời não thì thầm

Hơn 7 năm qua, Nathan Copeland (36 tuổi) tự xem mình là một người - máy (cyborg). Trong chừng ấy năm, Copeland đã sống với một thiết bị tí hon được cấy vào não, giúp anh lấy lại một phần khả năng sinh hoạt sau khi thành người khuyết tật vì tai nạn. 

Bốn mảng điện cực, mỗi mảng có kích thước bằng cục tẩy trên đuôi bút chì, giúp chuyển các xung thần kinh của Copeland thành mã lệnh máy tính, cho phép anh thao tác các thiết bị ngoại vi như máy tính, máy chơi điện tử và điều khiển một cánh tay robot chỉ với suy nghĩ của mình. 

Tính đến ngày 17-8, Copeland nắm giữ kỷ lục là người được cấy thiết bị giao diện não - máy tính (brain-computer interface - BCI) trong thời gian liên tục lâu nhất, theo tạp chí Wired.

Nathan Copeland điều khiển cánh tay robot để xếp các ống nhựa trong một cuộc kiểm tra năm 2017. Cánh tay này còn được nối với thần kinh xúc giác để giúp anh cảm nhận được khi được chạm vào. Ảnh: Đại học Pittsburgh

Công nghệ đi trước thời đại

Một vụ tai nạn xe hơi năm 2004 khiến Copeland bị liệt hoàn toàn từ ngực trở xuống, không thể cử động hay cảm nhận được tứ chi của mình. Sau 10 năm làm bạn với giường bệnh, năm 2014 Copeland đánh liều đăng ký làm tình nguyện viên cho một nghiên cứu của Đại học Pittsburgh (Mỹ). 

Mục tiêu của nghiên cứu là đánh giá xem liệu thiết bị BCI có thể giúp khôi phục một phần chức năng trên những bệnh nhân gặp chấn thương tủy sống nặng hay không. Copeland không mấy do dự, dù tham gia nghiên cứu đồng nghĩa anh phải trải qua một cuộc phẫu thuật não nhiều rủi ro, và ngay cả khi phẫu thuật thành công cũng không ai dám chắc thiết bị sẽ hỏng sau bao lâu. "Khi tôi bắt đầu, họ nói có lẽ (thiết bị) sẽ hoạt động được chừng 5 năm, mà con số này cũng chỉ dựa trên dữ liệu nghiên cứu trên khỉ" - Copeland nói.

Copeland trải qua cuộc phẫu thuật lắp đặt 4 mảng điện cực vào năm 2015, trong đó 2 mảng được cấy vào phần não điều khiển các chức năng vận động và 2 mảng nằm trong vùng chịu trách nhiệm xử lý thông tin xúc giác. Được giới khoa học gọi tên là "mảng Utah", mỗi mảng điện cực trong não Copeland được làm từ silicon cứng với 100 cây kim nhỏ trên bề mặt, mỗi kim dài khoảng 1mm và được phủ một lớp kim loại dẫn điện.

Vì các tế bào thần kinh tạo ra điện trường khi chúng giao tiếp với nhau, những mảng điện cực này có thể ghi nhận hoạt động từ hàng trăm tế bào thần kinh và chuyển tín hiệu đó ra bên ngoài. Để xây dựng một BCI hoàn chỉnh, các nhà nghiên cứu phải phiên dịch các tín hiệu thần kinh đó thành mệnh lệnh kỹ thuật số cho phép người được cấy ghép điều khiển chi giả hoặc máy tính thông qua tín hiệu não. 

Hệ thống mà Copeland sử dụng bao gồm mảng Utah cấy trong não, một bệ thu tín hiệu kích thước bằng đồng xu gắn trên đầu, một sợi cáp nối từ bệ đó đến một thiết bị bên ngoài giúp khuếch đại tín hiệu thần kinh, cuối cùng là một máy tính chạy phần mềm để giải mã những tín hiệu đó.

Việc thiết bị trong đầu Copeland vẫn đang hoạt động mà không gây bất kỳ tác dụng phụ hoặc biến chứng lớn nào nơi người được cấy ghép là một hứa hẹn lớn cho giới nghiên cứu BCI. Đó là tín hiệu cho thấy các thiết bị này - dù đã được lên ý tưởng và phát triển từ những năm 1960 - đang lần đầu tiên thật sự tiến gần đến khả năng phục vụ bệnh nhân khuyết tật nặng. "Có cảm giác như công nghệ này đang đứng trước ngưỡng cửa trở thành hiện thực" - TS. Jane Huggins, giám đốc đơn vị nghiên cứu BCI của Đại học Michigan (Mỹ) nói.

Giới hạn là bao lâu

Dù câu hỏi về tuổi thọ của các mảng điện cực được cấy ghép vẫn còn bỏ ngỏ, một điều các nhà khoa học biết chắc chắn là hiệu suất của chúng sẽ giảm dần theo thời gian - một điểm yếu cần khắc phục nếu muốn thương mại hóa sản phẩm này. "Sẽ thật điên rồ nếu một người khuyết tật được phục hồi chức năng trong nhiều năm, rồi lại mất chúng đi" - bà Huggins nói.

Năm 2004, Matt Nagle là người bị liệt tứ chi đầu tiên trên thế giới được cấy ghép mảng Utah. Anh bị liệt từ cổ trở xuống sau một vụ tấn công bằng dao trước đó 3 năm. Thiết bị cấy ghép cho phép anh di chuyển con trỏ máy tính, kiểm tra email, dùng tivi và đóng mở bàn tay robot theo ý muốn chỉ với suy nghĩ của mình. Thiết bị BCI trong não Nagle được lấy ra chỉ sau 1 năm nhằm tuân thủ quy trình nghiêm ngặt của nghiên cứu mà anh tham gia.

Theo Wired, hiện nay có hơn 30 người đang mang trong người các thiết bị BCI thuộc nhiều nghiên cứu khác nhau trên khắp thế giới. Trước Copeland, Ian Burkhart - bệnh nhân liệt tứ chi sau tai nạn trong lúc lặn - là người nắm giữ kỷ lục cấy ghép BCI lâu nhất (2014-2021). Quá ít người được cấy BCI khiến cho việc xác định tuổi thọ đáng tin cậy của thiết bị này gặp nhiều khó khăn.

Cho đến nay, mảng Utah đã được chứng minh có thể hoạt động đến 10 năm khi được cấy ghép trên khỉ. Trong trường hợp của Copeland, thiết bị BCI của anh vẫn hoạt động sau hơn 7 năm nhưng đã không còn trơn tru như trong khoảng 1 năm đầu tiên sau khi được cấy ghép, theo TS Robert Gaunt, thành viên nhóm nghiên cứu ĐH Pittsburgh. "Cơ thể người là một nơi rất khó để đưa các thiết bị điện tử và các hệ thống nhân tạo vào. Đó là một môi trường hung hãn và luôn cố gắng loại bỏ những thứ ngoại lai" - ông Gaunt giải thích.

Các thiết bị BCI được cấy ghép có thể kích thích phản ứng miễn dịch tại mô thần kinh bao quanh các điện cực, gây tình trạng viêm dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu truyền ra bên ngoài. Mô sẹo có thể hình thành xung quanh nơi cấy ghép, cũng ảnh hưởng đến khả năng nhận tín hiệu từ các tế bào thần kinh lân cận. BCI càng nhận được ít thông tin có thể phiên dịch từ các tế bào thần kinh thì càng kém hiệu quả trong việc thực hiện các chức năng được thiết kế của nó.

Nhà khoa học Richard Normann lần đầu cho ra đời ý tưởng về mảng Utah vào những năm 1980 khi đang là giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Utah (Mỹ), nơi ông tập trung nghiên cứu cách phục hồi thị lực cho những người khiếm thị. Từ đó đến nay, mảng Utah đã trở thành tiêu chuẩn vàng trong các nghiên cứu về BCI. "Toàn bộ lĩnh vực [BCI] được xây dựng trên mảng Utah. Việc giới nghiên cứu vẫn còn sử dụng một thiết bị được thiết kế từ những năm 1980 và 1990 đủ nói lên mức độ đi trước thời đại của nó" - Matt Angle, CEO Công ty Paradromics chuyên về BCI có trụ sở tại bang Texas, nhận xét.

Ảnh phóng to các mảng Utah (kích thước 4,2mm2) đặt trên mặt đồng xu.

Giải pháp cho tương lai

Một cách mà các nhà khoa học đang nghiên cứu để giúp thiết bị cấy ghép tồn tại lâu hơn là thử nghiệm trên nhiều vật liệu khác nhau. Mảng Utah hiện được cách nhiệt bằng parylene - một lớp phủ polyme được sử dụng phổ biến trong sản xuất thiết bị y tế nhờ tính ổn định và khả năng thấm ẩm thấp. Nhưng nhược điểm của chất liệu này là có thể bị ăn mòn và nứt theo thời gian.

Florian Solzbacher, đồng sáng lập và chủ tịch Công ty Blackrock Neurotech chuyên sản xuất mảng Utah, cho biết công ty đang thử nghiệm một vật liệu phủ kết hợp từ parylene và silic carbide, vốn đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp từ hơn 100 năm nay. "Chúng tôi nhận thấy thời gian tồn tại của vật liệu kết hợp này có thể lên đến 30 năm trong môi trường phòng thí nghiệm" - ông nói. Nhưng thách thức thật sự sẽ là quan sát cách mô của cơ thể người phản ứng với công thức mới.

Công ty Paradromics của Angle đang phát triển một thiết bị cấy ghép tương tự như mảng Utah, nhưng với các điện cực mỏng hơn nhằm ít gây tổn thương cho mô, tức giảm khả năng hình thành sẹo. Một nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đang thử nghiệm với các lớp phủ hydrogel được thiết kế để đạt độ đàn hồi tương tự như não. ĐH Pennsylvania thì đang phát triển công nghệ điện cực "sống" - các vi sợi nhỏ như lông được tạo ra từ các tế bào thần kinh được nuôi từ tế bào gốc.

Nhưng bản thân những cách tiếp cận này cũng có nhược điểm. "Bạn có thể dễ dàng cấy một vật cứng lên một vật mềm, nhưng nếu bạn cố gắng đưa một vật rất mềm vào một vật cũng mềm thì lại là chuyện khó" - TS Gaunt giải thích. Một hướng tiếp cận khác là thu nhỏ kích thước các thiết bị cấy, ví dụ như công nghệ hạt nơron - những con chip tí hon kích thước bằng hạt cát - mà theo lý thuyết có thể được rắc khắp bề mặt vỏ não. Hiện công nghệ này mới ở giai đoạn thử nghiệm trên loài gặm nhấm.

Trước mắt, giải pháp khả dĩ duy nhất là định kỳ lấy các thiết bị BCI cũ ra để thay thế bằng thiết bị mới, như đã được thực hiện trên một số tình nguyện viên tham gia nghiên cứu. Tuy nhiên, để bệnh nhân trải qua nhiều cuộc phẫu thuật não là chuyện chẳng đặng đừng vì mỗi lần lên bàn mổ đều có nguy cơ nhiễm trùng hoặc chảy máu tại vị trí cấy ghép. Lựa chọn vị trí cấy ghép mới sao cho vừa khác nơi cấy cũ - nếu chỗ đó đã hình thành sẹo - vừa đảm bảo là vị trí tối ưu để không làm giảm chức năng của BCI cũng là một công đoạn khó khăn, theo TS Gaunt.

Với những ẩn số về tuổi thọ của BCI, Copeland chấp nhận thực tế là thiết bị cấy ghép trong cơ thể anh có thể ngừng hoạt động bất cứ lúc nào, nhưng anh cố gắng không lo nghĩ về viễn cảnh đó. "Tôi điềm nhiên trước hầu như mọi thứ. Việc gì tới thì sẽ tới thôi" - anh nói nhẹ nhàng. Dù vậy, anh cho biết sẽ không bỏ qua cơ hội nâng cấp thiết bị cấy ghép. "Trong 5 hoặc 10 năm nữa, nếu có thiết bị với tính năng được cải thiện đáng kể, tôi vẫn sẽ thực hiện phẫu thuật (để nâng cấp)" - Copeland chia sẻ.■