Neuroprosthetics, còn được gọi là giao diện não-máy tính, là những thiết bị giúp người bị động cơ hoặc khuyết tật giác quan lấy lại quyền kiểm soát giác quan và chuyển động của họ bằng cách tạo ra kết nối giữa não và máy tính. Nói cách khác, công nghệ này cho phép mọi người di chuyển, nghe, nhìn và chạm vào chỉ bằng sức mạnh của sự suy nghĩ. Làm thế nào để neuroprosthetics làm việc? Chúng ta hãy xem năm bước đột phá lớn trong lĩnh vực này để xem chúng ta đã đi bao xa – và chúng ta có thể đi xa hơn bao nhiêu – chỉ sử dụng sức mạnh của tâm trí chúng ta.
![người phụ nữ có điện cực gắn vào hộp sọ]](https://demedbook.com/images/1/neuroprosthetics-recovering-from-injury-using-the-power-of-your-mind.jpg)
Hàng năm, hàng trăm ngàn người trên toàn thế giới mất kiểm soát chân tay của họ do chấn thương tủy sống. Tại Hoa Kỳ, có tới 347.000 người đang sống với thương tích tủy sống (SCI), và gần một nửa số người này không thể di chuyển từ cổ xuống.
Đối với những người này, các thiết bị neuroprosthetic có thể cung cấp một số hy vọng rất cần thiết.
Giao diện não-máy tính (BCI) thường liên quan đến điện cực – đặt trên sọ người, trên bề mặt não, hoặc trong mô não – theo dõi và đo hoạt động não xảy ra khi não “nghĩ” một ý nghĩ. Các mô hình của hoạt động não này sau đó được “dịch” thành một mã, hoặc thuật toán, được “ăn” vào một máy tính. Máy tính, lần lượt, biến đổi mã thành các lệnh tạo ra chuyển động.
Neuroprosthetics không chỉ hữu ích cho những người không thể di chuyển cánh tay và chân của họ; họ cũng giúp đỡ những người có khuyết tật giác quan. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ước tính rằng khoảng 360 triệu người trên toàn cầu có hình thức mất thính lực vô hiệu hóa, trong khi 39 triệu người khác bị mù.
Đối với một số những người này, neuroprosthetics như cấy ghép ốc tai điện tử và mắt bionic đã cho họ trở lại giác quan của họ, và trong một số trường hợp, họ đã cho phép họ nghe hoặc nhìn thấy cho lần đầu tiên.
Ở đây, chúng tôi xem xét năm trong số những phát triển quan trọng nhất trong công nghệ neuroprosthetic, xem cách chúng hoạt động, tại sao chúng hữu ích và một số trong số chúng sẽ phát triển như thế nào trong tương lai.
Cấy ghép tai
Có lẽ là thiết bị thần kinh “lâu đời nhất” ngoài kia, cấy ghép ốc tai (hoặc cấy ghép tai) đã tồn tại trong vài thập kỷ và là hình ảnh thu nhỏ của neuroprosthetics thành công.
Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) đã chấp thuận cấy ốc tai điện tử vào đầu năm 1980 và đến năm 2012, gần 60.000 cá nhân ở Hoa Kỳ đã cấy ghép. Trên toàn thế giới, hơn 320.000 người đã cấy ghép thiết bị.
Một ốc tai điện tử hoạt động bằng cách bỏ qua các bộ phận bị tổn thương của tai và kích thích dây thần kinh thính giác với các tín hiệu thu được bằng cách sử dụng các điện cực. Các tín hiệu chuyển tiếp qua dây thần kinh thính giác đến não được coi là âm thanh, mặc dù nghe qua một bộ cấy tai khá khác so với thính giác thông thường.
Mặc dù không hoàn hảo, ốc tai điện tử cho phép người dùng phân biệt lời nói trực tiếp hoặc qua điện thoại, với các phương tiện truyền thông rất nhiều với các tài khoản cảm xúc của những người đã có thể nghe chính mình lần đầu tiên sử dụng thiết bị cảm biến thần kinh này.
Ở đây, bạn có thể xem video của một phụ nữ 29 tuổi tự nghe mình lần đầu tiên sử dụng ốc tai điện tử:
Cấy ghép mắt
Retina nhân tạo đầu tiên – được gọi là Argus II – được làm hoàn toàn từ các điện cực cấy vào mắt và được FDA chấp thuận vào tháng 2 năm 2013. Cũng giống như cấy ghép ốc tai điện tử, neuroprosthetic này đi qua phần bị tổn thương võng mạc và truyền tín hiệu, được chụp bởi một máy ảnh gắn liền với não.
Điều này được thực hiện bằng cách chuyển đổi hình ảnh thành các điểm sáng và tối được biến thành tín hiệu điện. Các tín hiệu điện sau đó được gửi đến các điện cực, từ đó, gửi tín hiệu đến dây thần kinh thị giác của não.
Trong khi Argus II không phục hồi thị lực hoàn toàn, nó cho phép bệnh nhân viêm võng mạc sắc tố – một tình trạng làm tổn thương các thụ thể quang của mắt – để phân biệt đường nét và hình dạng, mà nhiều bệnh nhân báo cáo, tạo ra sự khác biệt đáng kể trong cuộc sống của họ.
Kể từ khi được phê duyệt, hơn 200 bệnh nhân viêm võng mạc sắc tố đã có cấy ghép Argus II, và công ty thiết kế nó hiện đang làm việc để phát hiện màu sắc có thể cũng như cải thiện độ phân giải của thiết bị.
Neuroprosthetics cho những người có SCI
Gần 350.000 người ở Mỹ được ước tính sống chung với SCI, và 45% những người có SCI từ năm 2010 được coi là tetraplegic – tức là, bị liệt từ cổ xuống.
Tại đây, gần đây chúng tôi đã báo cáo về một thử nghiệm một bệnh nhân đột phá cho phép một người đàn ông với quadriplegia di chuyển cánh tay của mình bằng sức mạnh tuyệt đối của những suy nghĩ của mình.
Bill Kochevar có điện cực được gắn vào não. Sau khi đào tạo BCI để “tìm hiểu” hoạt động của não khớp với các chuyển động mà anh ta nghĩ đến, hoạt động này đã biến thành các xung điện mà sau đó được truyền trở lại các điện cực trong não của anh ta.
Trong cùng một cách mà ốc tai điện tử và cấy ghép trực quan vượt qua khu vực bị hư hỏng, vì vậy khu vực BCI này tránh “ngắn mạch” giữa não và cơ bắp của bệnh nhân do SCI tạo ra.
Với sự giúp đỡ của neuroprosthetic này, bệnh nhân đã có thể uống thành công và nuôi sống mình. “Thật tuyệt vời,” Kochevar nói, “bởi vì tôi nghĩ về việc di chuyển cánh tay của tôi và nó đã làm.” Kochevar là bệnh nhân đầu tiên trên thế giới thử nghiệm thiết bị neuroprosthetic, hiện chỉ có sẵn cho mục đích nghiên cứu.
Bạn có thể tìm hiểu thêm về neuroprosthetic này từ video dưới đây:
Tuy nhiên, đây không phải là nơi mà neuroprosthetics SCI dừng lại.Phòng thí nghiệm Courtine – được dẫn dắt bởi nhà thần kinh học Gregoire Courtine ở Lausanne, Thụy Sĩ – đang làm việc không mệt mỏi để giúp những người bị thương để lấy lại quyền kiểm soát chân của họ. Những nỗ lực nghiên cứu của họ với chuột đã cho phép các loài gặm nhấm bị tê liệt đi lại, đạt được bằng cách sử dụng tín hiệu điện và làm cho chúng kích thích dây thần kinh trong tủy sống bị đứt.
Silvestro Micera, đồng tác giả của thí nghiệm và neuroengineer tại Courtine Labs cho biết: “Chúng tôi tin rằng công nghệ này có thể cải thiện đáng kể chất lượng cuộc sống của những người phải đối mặt với rối loạn thần kinh”.
Gần đây, giáo sư Courtine cũng đã dẫn đầu một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế thành công trong việc tạo ra phong trào chân tự nguyện trong khỉ rhesus. Đây là lần đầu tiên một neuroprosthetic được sử dụng để cho phép đi bộ trong loài linh trưởng vô nhân đạo.
Tuy nhiên, “có thể mất vài năm trước khi tất cả các thành phần của can thiệp này có thể được thử nghiệm ở mọi người”, giáo sư Courtine nói.
Một cánh tay cảm thấy
Silvestro Micera cũng đã dẫn đầu các dự án khác về neuroprosthetics, trong đó có cánh tay “cảm thấy”. Trong năm 2014, báo cáo về bàn tay nhân tạo đầu tiên được tăng cường với cảm biến.
Các nhà nghiên cứu đã đo sự căng thẳng trong các gân của bàn tay nhân tạo kiểm soát chuyển động nắm bắt và biến nó thành dòng điện. Đổi lại, bằng cách sử dụng một thuật toán, điều này đã được dịch thành các xung mà sau đó được gửi đến các dây thần kinh ở cánh tay, tạo ra cảm giác liên lạc.
Kể từ đó, cánh tay giả mà “cảm thấy” đã được cải thiện hơn nữa. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Pittsburgh và Trung tâm Y tế Đại học Pittsburgh, cả ở Pennsylvania, đã thử nghiệm BCI trên một bệnh nhân duy nhất với quadriplegia: Nathan Copeland.
Các nhà khoa học cấy một vỏ vi điện cực dưới bề mặt não của Copeland – cụ thể là trong vỏ não somatosensory chính của mình – và kết nối chúng với một cánh tay giả được trang bị cảm biến. Điều này cho phép bệnh nhân cảm nhận được cảm giác chạm vào cảm giác của anh, như thể chúng thuộc về bàn tay bị tê liệt của chính anh.
Trong khi bị bịt mắt, Copeland đã có thể xác định được ngón tay nào trên cánh tay giả được chạm vào. Những cảm giác mà anh cảm nhận khác nhau về cường độ và cảm thấy khác biệt về áp lực.
Neuroprosthetics cho tế bào thần kinh?
Chúng tôi đã thấy rằng bộ phận giả kiểm soát não có thể khôi phục cảm giác của người bệnh về cảm ứng, thính giác, thị giác và chuyển động, nhưng chúng ta có thể xây dựng bộ phận giả cho bộ não không?
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Úc (ANU) ở Canberra đã phát triển nhân tạo các tế bào não và tạo ra các mạch não chức năng, mở đường cho neuroprosthetics cho não.
Bằng cách áp dụng hình học dây nano cho một chất bán dẫn wafer, Tiến sĩ Vini Gautam, Trường Nghiên cứu Kỹ thuật của ANU, và các đồng nghiệp đã đưa ra một giàn giáo cho phép các tế bào não phát triển và kết nối synaptically.
Trưởng nhóm dự án Tiến sĩ Vincent Daria, từ Trường Nghiên cứu Y khoa John Curtin ở Úc, giải thích sự thành công của nghiên cứu của họ:
“Chúng tôi có thể tạo ra các kết nối tiên đoán giữa các tế bào thần kinh và chứng minh chúng hoạt động với các tế bào thần kinh kích hoạt đồng bộ. Công việc này có thể mở ra một mô hình nghiên cứu mới, kết nối mạnh hơn giữa vật liệu nano với khoa học thần kinh.”
Neuroprosthetics cho não có thể một ngày giúp bệnh nhân đã trải qua một cơn đột quỵ hoặc những người sống với các bệnh thoái hóa thần kinh để phục hồi thần kinh.
Hàng năm ở Hoa Kỳ, gần 800.000 người bị đột quỵ và hơn 130.000 người chết vì nó. Các bệnh thoái hóa thần kinh cũng phổ biến, với 5 triệu người trưởng thành Mỹ ước tính sống chung với căn bệnh Alzheimer, 1 triệu người mắc bệnh Parkinson và 400.000 người mắc bệnh đa xơ cứng.
Tìm hiểu về nỗ lực mới nhất của Facebook: phát triển BCI.
