Những con chip siêu nhỏ được gọi là hạt thần kinh có thể cảm nhận hoạt động điện trong não và truyền dữ liệu đó không dây. Nhà cung cấp hình ảnh: Jihun Lee / Đại học Brown.

Giao diện não-máy tính (BCIs) là thiết bị hỗ trợ mới nổi có thể giúp những người bị chấn thương não hoặc cột sống di chuyển hoặc giao tiếp một ngày nào đó.

Hệ thống BCI phụ thuộc vào các cảm biến có thể cấy ghép ghi lại các tín hiệu điện trong não và sử dụng các tín hiệu đó để điều khiển các thiết bị bên ngoài như máy tính hoặc bộ phận giả bằng robot.

Hầu hết các hệ thống BCI hiện tại sử dụng một hoặc hai cảm biến để lấy mẫu lên đến vài trăm tế bào thần kinh, nhưng các nhà khoa học thần kinh quan tâm đến các hệ thống có thể thu thập dữ liệu từ các nhóm tế bào não lớn hơn nhiều.

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu đã thực hiện một bước quan trọng để hướng tới một khái niệm mới cho hệ thống BCI trong tương lai – một hệ thống sử dụng một mạng lưới phối hợp các cảm biến thần kinh không dây, độc lập, có kích thước bằng một hạt muối, để ghi lại và kích thích não hoạt động.

Các cảm biến, được gọi là “các hạt thần kinh”, ghi lại một cách độc lập các xung điện được tạo ra bằng cách kích hoạt các nơ-ron và gửi tín hiệu không dây đến một trung tâm, nơi điều phối và xử lý các tín hiệu.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics, nhóm nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng gần 50 hạt thần kinh tự trị như vậy để ghi lại hoạt động thần kinh ở một loài gặm nhấm.

Các nhà nghiên cứu cho biết, kết quả là một bước tiến tới một hệ thống mà một ngày nào đó có thể cho phép ghi lại các tín hiệu não với độ chi tiết chưa từng có, dẫn đến những hiểu biết mới về cách thức hoạt động của não và các liệu pháp mới cho những người bị chấn thương não hoặc cột sống.

Arto Nurmikko, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Brown và là tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết: “Một trong những thách thức lớn trong lĩnh vực giao diện não-máy tính là các cách thức kỹ thuật để thăm dò càng nhiều điểm trong não càng tốt.

“Cho đến nay, hầu hết BCI đều là các thiết bị nguyên khối – hơi giống như những chiếc kim nhỏ. Ý tưởng của nhóm chúng tôi là chia khối đá nguyên khối đó thành các cảm biến nhỏ có thể phân bố trên vỏ não.

Đó là những gì chúng tôi có thể chứng minh ở đây.”

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các chuyên gia từ Brown, Đại học Baylor, Đại học California tại San Diego và Qualcomm, đã bắt đầu công việc phát triển hệ thống cách đây khoảng 4 năm. Nurmikko, người liên kết với Viện Khoa học não của Brown’s Carney, cho biết thách thức này gấp hai lần.

Phần đầu tiên yêu cầu thu nhỏ các thiết bị điện tử phức tạp liên quan đến việc phát hiện, khuếch đại và truyền tín hiệu thần kinh vào các chip hạt thần kinh silicon nhỏ bé. Đầu tiên, nhóm thiết kế và mô phỏng thiết bị điện tử trên máy tính, đồng thời trải qua một số lần lặp lại chế tạo để phát triển các chip hoạt động.

Thách thức thứ hai là phát triển trung tâm liên lạc bên ngoài cơ thể nhận tín hiệu từ những con chip nhỏ đó.

Thiết bị này là một miếng dán mỏng, có kích thước bằng ngón tay cái, dán vào da đầu bên ngoài hộp sọ. Nó hoạt động giống như một tháp điện thoại di động thu nhỏ, sử dụng một giao thức mạng để điều phối các tín hiệu từ các tế bào thần kinh, mỗi tín hiệu trong số đó có địa chỉ mạng riêng.

Bản vá cũng cung cấp năng lượng không dây cho các tế bào thần kinh, được thiết kế để hoạt động bằng cách sử dụng một lượng điện tối thiểu.

Jihun Lee, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Brown và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Công việc này là một thách thức đa ngành thực sự.

“Chúng tôi phải tập hợp chuyên môn về điện từ học, truyền thông tần số vô tuyến, thiết kế mạch, chế tạo và khoa học thần kinh để thiết kế và vận hành hệ thống hạt thần kinh.” Mục tiêu của nghiên cứu mới này là chứng minh rằng hệ thống có thể ghi lại các tín hiệu thần kinh từ não sống – trong trường hợp này là não của loài gặm nhấm.

Nhóm nghiên cứu đã đặt 48 ký tự thần kinh lên vỏ não của con vật, lớp ngoài của não, và ghi lại thành công các tín hiệu thần kinh đặc trưng liên quan đến hoạt động tự phát của não. Nhóm nghiên cứu cũng đã kiểm tra khả năng kích thích não của các thiết bị cũng như ghi lại từ đó. Sự kích thích được thực hiện bằng các xung điện cực nhỏ có thể kích hoạt hoạt động thần kinh.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng sự kích thích được thúc đẩy bởi cùng một trung tâm điều phối quá trình ghi âm thần kinh và một ngày nào đó có thể khôi phục chức năng não bị mất do bệnh tật hoặc chấn thương. Kích thước não của động vật giới hạn nhóm nghiên cứu ở 48 hạt thần kinh cho nghiên cứu này, nhưng dữ liệu cho thấy cấu hình hiện tại của hệ thống có thể hỗ trợ lên đến 770. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu hình dung ra quy mô lên đến hàng nghìn hạt thần kinh, điều này sẽ cung cấp một hiện không thể đạt được bức tranh về hoạt động của não.

Vincent Leung, một cộng sự cho biết: “Đó là một nỗ lực đầy thử thách, vì hệ thống yêu cầu truyền điện và kết nối mạng không dây đồng thời ở tốc độ mega-bit-per-giây, và điều này phải được thực hiện trong điều kiện hạn chế về nguồn và diện tích silicon cực kỳ chặt chẽ. giáo sư tại Khoa Điện và Kỹ thuật Máy tính tại Baylor.

“Nhóm của chúng tôi đã đẩy phong bì để cấy ghép thần kinh phân tán.”

Còn nhiều việc phải làm để biến hệ thống hoàn chỉnh đó thành hiện thực, nhưng các nhà nghiên cứu cho biết nghiên cứu này đại diện cho một bước quan trọng theo hướng đó.

“Hy vọng của chúng tôi là cuối cùng chúng tôi có thể phát triển một hệ thống cung cấp những hiểu biết khoa học mới về não bộ và các liệu pháp mới có thể giúp những người bị ảnh hưởng bởi những chấn thương nghiêm trọng,” Nurmikko nói.

Nguồn: knowridge