Lập bản đồ tín hiệu sóng não lượng tử
Các xung điện cho phép chúng ta suy nghĩ, cảm nhận và hình thành ký ức. Việc lập bản đồ các tín hiệu này trong não có thể được sử dụng để nghiên cứu sự phát triển của nhận thức và bệnh tật.
Một cảm biến từ tính lượng tử đã được sử dụng để chế tạo máy quét não di động. Bằng cách cảm nhận từ trường cực nhỏ được phát ra bởi các xung điện của các tế bào thần kinh, công nghệ lượng tử từ kế bơm quang học (Optically Pumped Magnetometer, OPM) được áp dụng để làm các từ não đồ (Magnetoencephalography, MEG). Cảm biến lượng tử như vậy, sau đây gọi ngắn gọn là từ não đồ lượng tử, do Cerca Magnets thiết kế và sản xuất có thể lập bản đồ chức năng của não. Hệ thống thiết bị lượng tử này được thiết kế có dạng như một cái mũ bảo hiểm để đội theo người nên rất cơ động và ít cồng kềnh hơn so với các thiết bị chụp ảnh não khác (Hình 1).
Margot Taylor là Giám đốc khoa chụp ảnh chẩn đoán chức năng thần kinh tại Bệnh viện Nhi ở Toronto, Canada. Mặc dù không phải là nhà vật lý cũng không phải là một kỹ sư nhưng bà đã dành phần lớn sự nghiệp của mình để nghiên cứu các mạch điện. Cụ thể hơn, bà đã dành hết tâm huyết của mình để nghiên cứu một “thiết bị” điện hóa phức tạp nhất hành tinh – bộ não con người.
Taylor sử dụng nhiều kỹ thuật chụp ảnh não khác nhau, trong đó có kỹ thuật chụp ảnh từ trường cộng hưởng (Magnetic Resonance Imaging, MRI), một kỹ thuật y khoa không xâm lấn để chụp các hình ảnh cắt lớp của cơ thể và cấu trúc bên trong cơ thể của người hoặc động vật, để hiểu sự phát triển của nhận thức ở trẻ em. Một trong những dự án hiện tại của bà sử dụng công nghệ cảm biến lượng tử mới để lập bản đồ hoạt động điện não. Bà cũng sử dụng từ não đồ dựa trên từ kế bơm quang học (tức là từ não đồ lượng tử) trong nghiên cứu của mình. Đó là một hệ thiết bị công nghệ lượng tử sử dụng các spin để định vị các xung điện đến từ các vùng khác nhau của não và có thể đội lên đầu của bệnh nhân như một cái mũ bảo hiểm.
Từ não đồ lượng tử, tức là từ não đồ dựa trên từ kế bơm quang học, là một công nghệ thay thế và có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Từ kế lượng tử này là các thiết bị lượng tử nhỏ có thể tích hợp vào một thiết bị có dạng như một cái mũ có thể đội vào đầu người bệnh, tạo ra một lợi thế để chụp ảnh não trẻ em kể cả khi chúng đang di chuyển.
Từ não đồ lượng tử mà Taylor sử dụng trong nghiên cứu của mình có dạng giống như một cái mũ bảo hiểm được phát triển bởi Cerca Magnets. Cerca Magnets là một bộ phận được thành lập vào năm 2020 như một công ty con từ công ty mẹ là Trung tâm Hình ảnh Sir Peter Mansfield của Đại học Nottingham ở Anh (Nottingham‘s Sir Peter Mansfield Imaging Centre in the UK) và do David Woolger làm Giám đốc điều hành.
Hamish Johnston đã trò chuyện với Margot Taylor và David Woolger về việc sử dụng công nghệ cảm biến lượng tử nhằm chế tạo một hệ thống thiết bị di động để chụp ảnh hoạt động của não.
Bước đột phá của não đồ lượng tử
Johnston: Từ não đồ là gì và nó được sử dụng như thế nào trong y học?
Taylor: Từ não đồ là phương pháp không xâm lấn nhạy cảm nhất mà chúng tôi có để đánh giá chức năng não. Cụ thể, kỹ thuật này cho chúng ta thông tin về hoạt động điện trong não. Nó không cung cấp bất kỳ thông tin nào về cấu trúc của não, nhưng những rối loạn mà chúng tôi quan tâm là rối loạn chức năng não, chứ không phải rối loạn cấu trúc não. Có một số kỹ thuật khác, nhưng hình ảnh của từ não đồ có độ phân giải không gian và thời gian đáng kinh ngạc, khiến nó rất có giá trị.
Vậy là bà đang đo tín hiệu điện. Điều đó có nghĩa bộ não về cơ bản là một thiết bị điện?
Taylor: Đúng vậy, chúng là những thiết bị điện cực kỳ phức tạp. Đúng hơn, về mặt kỹ thuật, đó là điện hóa, nhưng chúng tôi đang đo các tín hiệu điện sinh ra từ các phản ứng điện hóa trong não.
Khi làm từ não đồ, làm sao bà biết được các tín hiệu đó đến từ đâu?
Taylor: Chúng tôi cũng thường sử dụng kỹ thuật chụp ảnh từ trường cộng hưởng để có hình ảnh về cấu trúc của não và sau đó chúng tôi có các phương pháp định vị nguồn rất tốt để có thể biết chính xác các tín hiệu khác nhau đến từ đâu trong não. Chúng tôi cũng có thể nhận được thông tin về cách mà các tín hiệu kết nối với nhau, sự tương tác giữa các vùng não khác nhau và thời điểm cũng như thời gian của những tương tác đó.
Tại sao mũ từ não đồ lượng tử lại giúp việc quét não trẻ em dễ dàng hơn?
Taylor: Công nghệ lượng tử để làm mũ từ não đồ dựa vào từ kế bơm quang học, là một hệ các thiết bị đo có thể đội được vào đầu người bệnh, với các cảm biến được đặt bên trong mũ. Điều này có nghĩa là toàn bộ hệ đo được phép di chuyển thoải mái vì mũ được đội lên đầu em bé và di chuyển cùng với em, cho phép dễ dàng ghi lại được các tín hiệu não ở trẻ nhỏ không cần bắt chúng phải nằm yên hoàn toàn mà vẫn để chúng di chuyển tự do hoặc ngồi trong lòng cha mẹ.
Bà có thể cho biết thêm về nghiên cứu mà bà đang thực hiện tại Bệnh viện Nhi ở Toronto thông qua việc sử dụng công nghệ lượng tử để làm từ não đồ, tức là mũ lượng tử từ não đồ – một sản phẩm của Cerca Magnets thuộc Vương quốc Anh, không?
Taylor: Chúng tôi đang quan tâm đến chức năng sớm của não ở trẻ tự kỷ và trẻ không tự kỷ. Bệnh tự kỷ thường được chẩn đoán khi trẻ được khoảng ba tuổi, mặc dù đôi khi bệnh này không được chẩn đoán cho đến khi trẻ lớn hơn. Nhưng nếu một đứa trẻ được chẩn đoán mắc chứng tự kỷ sớm hơn thì các biện pháp can thiệp có thể bắt đầu sớm hơn. Vì vậy, chúng tôi đang xem xét trẻ tự kỷ và trẻ không mắc chứng tự kỷ cũng như trẻ có nhiều khả năng mắc chứng tự kỷ để xem xem liệu chúng tôi có thể nhận được các tín hiệu não giúp cho việc đưa ra quyết định về việc liệu chúng có nên tiếp tục được chẩn đoán hay không.
Các phản ứng về việc làm từ não đồ lượng tử khác nhau như thế nào giữa những người mắc chứng tự kỷ và không mắc chứng tự kỷ, hoặc những người có khả năng cao mắc chứng tự kỷ?
Taylor: Hiện thời chưa có các dữ liệu đó vì chúng tôi đang xem xét những đứa trẻ có khả năng cao mắc chứng tự kỷ, vì vậy phải đợi chúng lớn lên và khoảng một năm nữa hay hơn thế, chúng tôi sẽ xem liệu chúng có được chẩn đoán hay không. Đối với những đứa trẻ đã được chẩn đoán mắc chứng tự kỷ, có vẻ như các phản ứng là không điển hình, nhưng chúng tôi vẫn chưa phân tích đầy đủ các dữ liệu đó. Chúng tôi nghĩ rằng có một tín hiệu mà chúng tôi sẽ có thể báo cáo trong tương lai gần, nhưng cho đến nay chúng tôi mới chỉ kiểm tra 32 trẻ tự kỷ và chúng tôi muốn có thêm dữ liệu trước khi chính thức công bố (Hình 3 là cảnh Taylor và đồng nghiệp đang đội mũ từ não đồ lượng tử cho một người tham gia nghiên cứu).
Bà có kết quả sơ bộ nào hoặc bài báo đã được công bố nào dựa trên những dữ liệu đã thu được chưa?
Taylor: Các dữ liệu mà chúng tôi đã thu được vẫn đang trong quá trình phân tích. Các dữ liệu đã cho chúng tôi thấy những thay đổi rõ ràng liên quan đến độ tuổi trong nhóm trẻ em không mắc chứng tự kỷ. Vì chưa có ai có thể thực hiện những nghiên cứu kiểu này trước đây, nên chúng tôi phải thiết lập các tập dữ liệu cơ bản với trẻ em không mắc chứng tự kỷ trước khi có thể so sánh với trẻ em mắc chứng tự kỷ hoặc trẻ em có khả năng cao mắc chứng tự kỷ. Những tập dữ liệu đó sẽ sớm được công bố.
Hiện tại, bà có sử dụng các thiết bị từ não đồ lượng tử này cho bất kỳ mục đích nào khác không?
Taylor: Với kỹ thuật chụp từ não đồ lượng tử, chúng tôi cũng đang thiết lập các nghiên cứu đối với trẻ em bị động kinh. Chúng tôi muốn so sánh công nghệ lượng tử mới này với công nghệ truyền thống là công nghệ từ não đồ đông lạnh cũng như các công nghệ hình ảnh khác. Cùng với các đồng nghiệp của mình, tôi đang làm việc để thực hiện điều đó. Chúng tôi cũng đang quan tâm đến những trẻ em đã mắc chứng rối loạn di truyền để xem liệu chúng có các tín hiệu não cho thấy chúng có tiếp tục mắc chứng rối loạn phát triển thần kinh hay không. Chúng tôi cũng đang xem xét những trẻ em sinh ra từ những bà mẹ có HIV để xem liệu chúng tôi có thể biết được những gì đang xảy ra trong não của chúng, những điều có thể ảnh hưởng đến sự phát triển sau này của chúng hay không.
Cuộc nói chuyện với David Woolger: mở rộng các ứng dụng của não đồ lượng tử
Bạn có thể mô tả ngắn gọn về công nghệ của Cerca Magnetics và cách thức hoạt động của nó không?
Woolger: Khi một tế bào thần kinh hoạt động nó sẽ phát ra một dòng điện và từ trường tương ứng. Công nghệ của chúng tôi sử dụng từ kế bơm quang học, là một thiết bị đo rất nhạy với từ trường. Trên thực tế, chúng tôi đang cảm nhận từ trường thấp hơn từ trường Trái đất 500 triệu lần. Để có thể làm được điều đó, cũng như các cảm biến lượng tử, chúng tôi cần phải tránh ảnh hưởng của từ trường của Trái đất. Vì vậy chúng tôi phải thực hiện các phép đo trong một môi trường được che chắn, cả che chắn chủ động và che chắn thụ động. Chỉ trong một môi trường được che chắn tốt chúng tôi mới có thể đo các từ trường do não phát ra và có thể sử dụng các kết quả đo được để hiểu về mặt chức năng những gì đang diễn ra trong khu vực đó.
Có bất kỳ ứng dụng nào khác cho công nghệ lượng tử này ngoài công việc mà bạn với dang làm với Margot Taylor không?
Woolger: Có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực sức khỏe não bộ. Ví dụ, chúng tôi hiện đang làm việc với một nhóm ở Oxford với mục tiêu nghiên cứu về chứng mất trí. Vì vậy, ở đầu kia của vòng đời, chúng tôi cần nghiên cứu các cách để xác định được bệnh sớm hơn nhiều. Nếu có thể làm được điều đó, bạn có tiềm năng bắt đầu điều trị đúng bệnh bằng thuốc hoặc bằng các biện pháp can thiệp khác sớm hơn. Ngoài sức khỏe não bộ, có một số nhóm đang sử dụng công nghệ lượng tử này trong các lĩnh vực khác của khoa học y tế. Chẳng hạn, một nhóm ở Arkansas đang xem xét hình ảnh thai nhi trong thai kỳ, sử dụng nó để nhìn rõ hơn nhiều so với trước đây. Còn một nhóm khác nữa ở London đang xem xét hình ảnh cột sống bằng từ kế bơm quang học. Thêm nữa, chẩn đoán chấn động não là một ứng dụng tiềm năng khác của các cảm biến này đối với các chấn thương trong thể thao hoặc trong quân sự. Có rất nhiều ứng dụng hình ảnh y tế có thể được thực hiện bằng các cảm biến lượng tử này.
Bạn đã xem xét các ứng dụng không thuộc lĩnh vực y tế chưa?
Woolger: Cerca Magnets là một công ty chụp ảnh y tế, nhưng tôi cũng biết về các ứng dụng khác không phải trong lĩnh vực y tế của công nghệ này. Ví dụ, các ứng dụng với pin ô tô có tiềm năng trở thành một thị trường lớn. Khi họ sản xuất pin ô tô, có rất nhiều điện hóa học đi vào các ô. Nếu bạn có thể chụp ảnh các quy trình đó trong quá trình sản xuất, bạn có thể tối ưu hóa hiệu quả chu kỳ sản xuất và vì thế giảm được chi phí cho pin. Điều này có lợi ích tiềm năng thực sự khi sử dụng trong ô tô điện.
Bước tiếp theo của công nghệ Cerca Magnetics là gì?
Woolger: Chúng tôi đang ở vị thế tốt khi có thể cung cấp các hệ thống ban đầu của mình cho thị trường nghiên cứu và thực sự có doanh thu. Chúng tôi đã kiếm được lợi nhuận hàng năm kể từ khi bắt đầu giao dịch. Sau đó, chúng tôi đã tái đầu tư lợi nhuận đó vào quá trình phát triển tiếp theo. Ví dụ, chúng tôi đang xem xét việc quét (scanning) hai người cùng một lúc, tìm kiếm thêm các kỹ thuật khác, những điều sẽ giúp tiếp tục phát triển sản phẩm và quan trọng nhất là công việc phê duyệt các thiết bị y tế. Hiện tại, hệ thống của chúng tôi chỉ được bán cho các viện nghiên cứu, nhưng chúng tôi tin rằng nếu sản phẩm được cung cấp cho mọi bệnh viện và mọi phòng mổ của bác sĩ, điều đó có thể có tác động xã hội đáng kinh ngạc trong suốt vòng đời của con người.
Từ não đồ dựa trên từ kế bơm quang học
Giống như bất kỳ dòng điện nào, các tín hiệu được truyền bởi các tế bào thần kinh trong não sinh ra từ trường. Từ não đồ là một kỹ thuật hình ảnh nhằm thu các tín hiệu này và định vị chúng trong não. Từ não đồ đã được sử dụng để lên kế hoạch phẫu thuật não để điều trị bệnh động kinh. Nó cũng đang được phát triển như một công cụ chẩn đoán các rối loạn bao gồm bệnh tâm thần phân liệt và bệnh Alzheimer.
Trong từ não đồ lượng tử, các thiết bị đo được đặt xung quanh đầu bệnh nhân và tích hợp vào một cái mũ, trông giống như mũ bảo hiểm. Bằng cách đo tín hiệu phát ra từ các thiết bị và kết hợp với hình ảnh cấu trúc và mô phỏng máy tính, có thể biết được tín hiệu đến từ đâu trong não. Điều này có thể được sử dụng để hiểu cách hoạt động điện ở các vùng não khác nhau liên quan đến sự phát triển, rối loạn não và sự khác biệt về thần kinh.
Từ não đồ truyền thống sử dụng các thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (Superconducting Quantum Interference Device), là các thiết bị rất nhạy với các từ trường rất nhỏ. Tuy nhiên, thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn phải được làm lạnh bằng phương pháp đông lạnh, khiến công nghệ này cồng kềnh và không di chuyển được. Từ não đồ lượng tử, tức là từ não đồ dựa trên từ kế bơm quang học, là một công nghệ thay thế và có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng. Từ kế lượng tử này là các thiết bị lượng tử nhỏ có thể tích hợp vào một thiết bị có dạng như một cái mũ có thể đội vào đầu người bệnh, tạo ra một lợi thế để chụp ảnh não trẻ em kể cả khi chúng đang di chuyển.
Các thành phần chính của một từ kế bơm quang học gồm một đám mây nguyên tử kiềm (thường là rubidi), một tia laser và một máy dò quang (photodetector). Ban đầu, các spin của các nguyên tử ngả theo các hướng ngẫu nhiên, nhưng khi bị chiếu bởi tia laser phân cực với tần số chính xác thích hợp thì các spin sẽ ngả theo cùng một hướng, hướng của ánh sáng. Khi các nguyên tử ở trạng thái này, chúng sẽ trong suốt với tia laser (tức là cho phép tia laser truyền qua) nên tín hiệu đến máy dò quang sẽ là tối đa. Nhưng, khi có mặt của một từ trường, chẳng hạn như từ trường của sóng não, thì các spin của các nguyên tử sẽ bị nhiễu và chúng không còn cùng ngả thẳng hàng theo một hướng trùng với hướng với tia laser nữa. Trong trường hợp này các nguyên tử có thể hấp thụ một phần ánh sáng của tia laser, làm giảm tín hiệu đến bộ dò quang.
Trong từ não đồ lượng tử, các thiết bị đo được đặt xung quanh đầu bệnh nhân và tích hợp vào một cái mũ, trông giống như mũ bảo hiểm. Bằng cách đo tín hiệu phát ra từ các thiết bị và kết hợp với hình ảnh cấu trúc và mô phỏng máy tính, có thể biết được tín hiệu đến từ đâu trong não. Điều này có thể được sử dụng để hiểu cách hoạt động điện ở các vùng não khác nhau liên quan đến sự phát triển, rối loạn não và sự khác biệt về thần kinh.□
Nguyễn Bá Ân dịch
