Làm thế nào cấy ghép mới đang giúp liên kết bộ não với máy tính

hiệu suất trắngMocca / Shutterstock, CC BY-SA

Cyborgs không còn là khoa học viễn tưởng. Lĩnh vực giao diện máy-não (BMI) - sử dụng các điện cực, thường được cấy vào não, để dịch thông tin nơ-ron thành các lệnh có khả năng điều khiển các hệ thống bên ngoài như máy tính hoặc cánh tay robot - đã thực sự xuất hiện từ lâu. Công ty của doanh nhân Elon Musk, Neuralink, đang nhắm đến kiểm tra hệ thống BMI của họ trên một bệnh nhân của con người vào cuối 2020.

Về lâu dài, các thiết bị BMI có thể giúp theo dõi và điều trị các triệu chứng rối loạn thần kinh và kiểm soát chân tay giả. Nhưng họ cũng có thể cung cấp một kế hoạch chi tiết để thiết kế trí thông minh nhân tạo và thậm chí cho phép giao tiếp não bộ trực tiếp. Tuy nhiên, hiện tại, thách thức chính là phát triển các BMI tránh làm tổn thương mô não và tế bào trong quá trình cấy ghép và vận hành.

BMI đã tồn tại hơn một thập kỷ, giúp những người mất khả năng để kiểm soát tay chân của họ, ví dụ. Tuy nhiên, cấy ghép thông thường - thường được làm bằng silicon - là những đơn đặt hàng có độ lớn cứng hơn mô não thực tế, dẫn đến ghi âm không ổn định và thiệt hại đến mô não xung quanh.

Họ cũng có thể dẫn đến một đáp ứng miễn dịch trong đó não từ chối cấy ghép. Điều này là do bộ não con người của chúng ta giống như một pháo đài được bảo vệ và hệ thống thần kinh - giống như những người lính trong pháo đài kín này - sẽ bảo vệ tế bào thần kinh (tế bào não) khỏi những kẻ xâm nhập, như mầm bệnh hoặc BMI.

Thiết bị linh hoạt

Để tránh thiệt hại và phản ứng miễn dịch, các nhà nghiên cứu đang ngày càng tập trung vào sự phát triển của cái gọi là BMI linh hoạt. Chúng mềm hơn nhiều so với cấy ghép silicon và tương tự như mô não thực tế.

Làm thế nào cấy ghép mới đang giúp liên kết bộ não với máy tính Một wafer của hàng chục ngàn điện cực linh hoạt, mỗi điện cực nhỏ hơn nhiều so với một sợi tóc. Steve Jurvetson / Flickr, CC BY-SA

Ví dụ, Neuralink đã thiết kế đầu tiên chủ đề linh hoạt - các đầu dò nhỏ, giống như sợi chỉ, linh hoạt hơn nhiều so với cấy ghép trước đây - để liên kết trực tiếp bộ não của con người với máy tính. Chúng được thiết kế để giảm thiểu khả năng phản ứng miễn dịch của não từ chối các điện cực sau khi chèn trong khi phẫu thuật não.


Nhận thông tin mới nhất từ ​​Nội tâm


Trong khi đó, các nhà nghiên cứu từ Nhóm Lieber tại Đại học Harvard gần đây đã thiết kế một đầu dò lưới nhỏ trông rất giống tế bào thần kinh thực sự đến mức não bộ không thể xác định được kẻ mạo danh. Những điện tử lấy cảm hứng từ sinh học bao gồm các điện cực bạch kim và dây vàng siêu mỏng được bọc bởi một polymer có kích thước và tính linh hoạt tương tự như các tế bào tế bào thần kinh và các sợi thần kinh.

Nghiên cứu trên động vật gặm nhấm đã chỉ ra rằng thăm dò giống như tế bào thần kinh không gợi ra phản ứng miễn dịch khi đưa vào não. Họ có thể theo dõi cả chức năng và sự di chuyển của các tế bào thần kinh.

Di chuyển vào các tế bào

Hầu hết các BMI được sử dụng ngày nay nhận tín hiệu não điện bị rò rỉ bên ngoài các tế bào thần kinh. Nếu chúng ta nghĩ về tín hiệu thần kinh giống như âm thanh được tạo ra trong phòng, thì cách ghi âm hiện tại là lắng nghe âm thanh bên ngoài phòng. Thật không may, cường độ của tín hiệu bị giảm đáng kể bởi hiệu ứng lọc của bức tường - màng tế bào thần kinh.

Để đạt được các bài đọc chức năng chính xác nhất để tạo ra sự kiểm soát lớn hơn ví dụ như chân tay giả, các thiết bị ghi âm điện tử cần có quyền truy cập trực tiếp vào bên trong tế bào thần kinh. Phương pháp thông thường được sử dụng rộng rãi nhất cho bản ghi nội bào này là điện cực kẹp kẹp điện tử: một ống thủy tinh rỗng chứa đầy dung dịch điện phân và điện cực ghi tiếp xúc với màng của một tế bào biệt lập. Nhưng một đầu rộng micromet gây ra thiệt hại không thể phục hồi cho các tế bào. Hơn nữa, nó chỉ có thể ghi lại một vài ô tại một thời điểm.

Để giải quyết những vấn đề này, gần đây chúng tôi đã phát triển một mảng bóng bán dẫn dây nano 3D giống như kẹp tóc và sử dụng nó để đọc các hoạt động điện nội bào từ nhiều tế bào thần kinh. Điều quan trọng, chúng tôi đã có thể làm điều này mà không có bất kỳ thiệt hại di động có thể xác định được. Các dây nano của chúng tôi cực kỳ mỏng và linh hoạt, và dễ dàng uốn cong thành hình kẹp tóc - các bóng bán dẫn chỉ có kích thước nanomet 15x15x50. Nếu một tế bào thần kinh có kích thước của một căn phòng, những bóng bán dẫn này sẽ có kích thước tương đương với khóa cửa.

Được bọc bằng một chất bắt chước cảm giác của màng tế bào, các đầu dò dây nano siêu nhỏ, linh hoạt này có thể đi qua màng tế bào với nỗ lực tối thiểu. Và họ có thể ghi lại cuộc trò chuyện nội bào với mức độ chính xác tương đương với đối thủ lớn nhất của họ: vá điện cực kẹp.

Rõ ràng những tiến bộ này là những bước quan trọng đối với các BMI chính xác và an toàn sẽ cần thiết nếu chúng ta từng đạt được các nhiệm vụ phức tạp như giao tiếp não với não.

Nghe có vẻ hơi đáng sợ nhưng cuối cùng, nếu các chuyên gia y tế của chúng ta tiếp tục hiểu cơ thể của chúng ta tốt hơn và giúp chúng ta điều trị bệnh và sống lâu hơn, điều quan trọng là chúng ta tiếp tục vượt qua ranh giới của khoa học hiện đại để cung cấp cho họ điều tốt nhất có thể công cụ để làm công việc của họ. Để điều này là có thể, một giao lộ xâm lấn tối thiểu giữa con người và máy móc là không thể tránh khỏi.Conversation

Lưu ý

Yunlong Zhao, Giảng viên về lưu trữ năng lượng và điện tử sinh học, Đại học Surrey

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

theo dõi Nội bộ trên

facebook-iconbiểu tượng twitterbiểu tượng rss

Nhận tin mới nhất qua email

{Emailcloak = off}