Phát minh hệ thống giao diện não - máy tính thế hệ mới

Giao diện não-máy tính (BCIs) là thiết bị hỗ trợ có thể giúp những người bị chấn thương não hoặc gãy cột sống. Hệ thống BCI phụ thuộc vào các cảm biến có thể cấy ghép và 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. 

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 việc các hệ thống có thể thu thập dữ liệu từ các nhóm tế bào não lớn.

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 - hệ thống sử dụng mạng lưới phối hợp các cảm biến thần kinh không dây, có kích thước bằng một hạt muối, để ghi lại và điều khiển hoạt động của não. 

Trong một nghiên cứu được công bố vào ngày 12 tháng 8 trên tạp chí Nature Electronics , nhóm nghiên cứu đã chứng minh việc sử dụng gần 50 cảm biết 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 của 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 chính của nghiên cứu cho biết: “Một trong những thách thức lớn trong lĩnh vực giao diện não-máy tính là các phương pháp 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 giường kim nhỏ. Ý tưởng của nhóm chúng tôi là chia khối nguyên khối đó thành các cảm biến nhỏ có thể phân bố trên vỏ não." 

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 thử thách này khó gấp hai lần.

Đầu tiên yêu cầu việc 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. 

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. 

Jihun Lee, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Brown và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi phải tập hợp chuyên môn về điện từ, truyền 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. 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. 

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. 

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 ngoặt quan trọng.