Giao diện não – máy
Sự kiện Neuralink cấy chip vào não người tạo ra “giao diện não – máy” như trong truyện viễn tưởng, trước hết để hỗ trợ cho người liệt, và tham vọng xa hơn là tăng khả năng của não bộ đã thu hút sự quan tâm của rất lớn của công chúng. Đằng sau sự kiện đình đám là cuộc đua trong việc nghiên cứu đọc suy nghĩ, giải mã não bộ để cấy ghép “giao diện não-máy”.
Ước mơ viễn tưởng
Ước mơ viễn tưởng về việc cấy con chip nhỏ bé mỏng hơn cả sợi tóc để đọc hiểu tín hiệu não và cấy ghép giao diện não – máy đã bắt đầu manh nha từ cách đây một thế kỷ.
100 năm trước, bác sĩ tâm thần người Đức là Hans Berger đã thực hiện ý tưởng ghi lại các hoạt động của não, thông qua các tín hiệu điện của não với các điện cực gắn trên da đầu một cậu bé 17 tuổi đã trải qua cuộc mổ u não và còn một lỗ trên hộp sọ. Ông đặt tên cho bản ghi dao động điện này là EEG – điện não đồ. Các nhà nghiên cứu đã sớm nhận thấy nếu ghi điện não từ bên trong não có thể đem lại nhiều giá trị hơn. Berger và đồng nghiệp đã phẫu thuật để đặt trực tiếp điện cực lên bề mặt vỏ não nhằm chẩn đoán động kinh, phương pháp này trở thành tiêu chuẩn để xác định chính xác vị trí não khởi phát cơn động kinh để hướng dẫn cho điều trị bằng phẫu thuật.
Từ những năm 1970, các nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng tín hiệu sâu bên trong não động vật để điều khiển máy móc, cấy ghép ‘giao diện não-máy’ (brain–computer interfaces – BCI) lần đầu tiên.
Năm 2004, Matt Nagle, bị liệt do chấn thương cột sống, đã trở thành người đầu tiên được cấy ghép hệ thống BCI xâm lấn lâu dài, với nhiều điện cực ghi lại hoạt động của từng tế bào neuron thần kinh trong vùng vỏ não vận động. Naple có thể đóng-mở bàn tay giả cũng như thực hiện các thao tác cơ bản bằng cánh tay robot.
Các nhà nghiên cứu sử dụng điện não đồ để hướng dẫn vị trí gắn điện cực ngoài da đầu sao cho hiệu quả. Người bị liệt đã có thể điều khiển xe lăn, cánh tay robot và thiết bị chơi game, nhưng tín hiệu yếu và kém tin cậy hơn so với các thiết bị xâm lấn. Cho đến nay, đã có khoảng 50 người được cấy ghép BCI và những tiến bộ về trí tuệ nhân tạo, giải mã tín hiệu và sức mạnh phần cứng đã thúc đẩy lĩnh vực này phát triển.
Công nghệ neuropixels với mảng điện cực silicon mỏng hơn sợi tóc người nhưng chứa gần 1000 cảm biến có khả năng phát hiện tín hiệu điện từ một tế bào thần kinh.
Các nhà nghiên cứu đã ứng dụng neuropixels trên động vật từ bảy năm trước và hai bài báo được xuất bản gần đây đã chứng minh neuropixels có thể giúp trả lời câu hỏi: cách não con người tạo ra và nhận biết các nguyên âm trong lời nói.
Cấy ghép và các công nghệ khác nhằm giải mã hoạt động thần kinh có thể khôi phục khả năng nói và cử động của con người – đồng thời giúp các nhà nghiên cứu hiểu cách thức hoạt động của não.
Điều khiển cánh tay giả, kiểm soát thế thân nói chuyện thay mình, đánh máy tốc độ nhanh, là những gì người bị liệt có thể thực hiện thông qua giao diện não-máy tính chỉ bằng suy nghĩ. Các thiết bị ghi lại hoạt động thần kinh bằng hàng trăm điện cực được gắn trong não. Một hệ thống giải mã sẽ phân tích tín hiệu và chuyển chúng thành lệnh.
Nhà khoa học thần kinh Frank Willett tại Đại học Stanford cho biết “BCI đã tạo cơ hội ghi lại hoạt động của từng tế bào thần kinh ở nhiều vùng não”.
Bác sĩ phẫu thuật thần kinh Edward Chang tại Đại học UCSF nói rằng ưu điểm của BCI là vượt qua giới hạn thời gian của các phương pháp cũ, cho phép ghi lại thông tin trong nhiều ngày, nhiều tuần, thậm chí hàng tháng và hàng năm, tạo điều kiện để tìm hiểu về quá trình học tập và tính linh hoạt của bộ não.
Với những ưu điểm đó, cuộc đua nghiên cứu “giao diện não – máy” ngày càng mạnh mẽ, không chỉ trong phòng thí nghiệm mà tiến trình thương mại hóa cũng đang tăng tốc nhanh chóng. Mấy năm nay, Neuralink, công ty khởi nghiệp do tỷ phú Elon Musk sáng lập đã thực hiện trường hợp cấy ghép BCI vào não người và kết nối không dây với máy tính đầu tiên.
Ranh giới mơ hồ
Công nghệ mới mang đến cho các nhà nghiên cứu một cách tiếp cận mới để khám phá bộ não với mức độ chi tiết hơn các phương pháp khác. Nhờ đó, họ đã lật ngược lại quan điểm lâu nay về giải phẫu, phát hiện các vùng của não có ranh giới và nhiệm vụ mơ hồ hơn nhiều so với trước đây. Các nhà nghiên cứu cũng tìm hiểu ảnh hưởng của BCI lên não và các giải pháp cải tiến thiết bị.
Sách giáo khoa vẫn phân chia não thành các vùng riêng biệt có ranh giới rõ ràng. Nhưng các bản ghi BCI nghi ngờ quan điểm cổ điển này. Nhóm của Frank Willett, Đại học Standford đã sử dụng BCI tạo giọng nói trên một bệnh nhân bị xơ cứng teo cơ một bên (ALS), một bệnh lý ảnh hưởng neuron vận động. Họ kỳ vọng phát hiện sự tập hợp thành cụm của các neuron vùng ‘hồi trước trung tâm’ ứng với các nhóm cơ mặt để cử động hàm, thanh quản, môi hoặc lưỡi. Tuy nhiên, kết quả cho thấy, các tế bào này phân bố xáo trộn không như mường tượng trước đó. Vùng Broca có vai trò phát âm nhưng chứa rất ít thông tin về từ ngữ, cử động khuôn mặt hoặc âm vị (đơn vị âm thanh). Các nhà nghiên cứu rất ngạc nhiên khi bản thân vùng Broca không thực sự liên quan đến việc tạo ra lời nói, một kết quả khác biệt so với các nhận định trước đây.
Năm 2020, nhóm của Willett đã xuất bản một bài báo, trong đó chủ ý ghi lại tín hiệu từ khu vực vỏ não tiền vận động (được cho là) phụ trách cử động của bàn tay, trên hai người với mức độ hạn chế vận động khác nhau. Nhưng tín hiệu BCI đã cho biết khu vực này phát ra tín hiệu thần kinh điều khiển cả tứ chi! Kết quả này thách thức quan điểm cổ điển phân chia vỏ não kiểu bản đồ thành nhiều vùng theo từng bộ phận cơ thể bị chi phối, là lý thuyết đã được thừa nhận rộng rãi trong giáo dục y khoa gần 90 năm nay.
Phát hiện đã được khẳng định lại khi nhà khoa học nhận thức Nick Ramsay tại Trung tâm Y khoa Utrecht, Hà Lan, tái lập quan sát tương tự. Vỏ não vận động ở một bên bán cầu não thường sẽ điều khiển chuyển động của bên đối diện. Nhưng khi người được thí nghiệm cố gắng cử động tay phải, các điện cực vùng bán cầu não trái thu được tín hiệu cho cả tay phải và tay trái, một phát hiện bất ngờ.
Đối với một số nhà khoa học, ranh giới giải phẫu mờ nhạt của não không có gì đáng ngạc nhiên. Kỹ sư thông tin Luca Tonin tại Đại học Padua, Ý, cho biết hiểu biết về bộ não dựa trên phép đó trung bình để vẽ ra bức tranh khái quát cho các vùng chi phối của não. Các trường hợp riêng lẻ tất nhiên sẽ khác so với đánh giá trung bình.
Tư duy linh hoạt
Công nghệ BCI cũng giúp khám phá các mô hình thần kinh về cách thức bộ não của chúng ta suy nghĩ và tưởng tượng. Nhà khoa học thần kinh điện toán Christian Herff tại Đại học Maastricht, Hà Lan, nghiên cứu cách thức bộ não mã hoá lời nói thầm bên trong (dù không cử động môi hoặc phát ra âm thanh) để phát triển thiết bị BCI tạo ra giọng nói theo thời gian thực. BCI thu được các tín hiệu não từ lời nói tưởng tượng hoặc thì thầm đều tương tự với lời nói thông thường. Nhờ đó, những người bị câm hoặc nói khó khăn vẫn có thể trò chuyện nhờ vào BCI. Với bệnh nhân bị liệt thì các tín hiệu thần kinh cho việc nói chuyện và cử động vẫn tồn tại, và BCI sẽ giúp đánh giá mức độ linh hoạt của bộ não (khả năng tái định hình và điều chỉnh các kết nối thần kinh).
Người ta quan sát được rằng các chấn thương và bệnh lý não có thể làm thay đổi đáng kể sức mạnh liên kết giữa các tế bào neuron và khiến mạng lưới thần kinh tái cấu trúc hoặc tạo ra các liên kết mới. Ví dụ, nghiên cứu trên chuột bị tổn thương tủy sống cho thấy các vùng não từng điều khiển các chi, sau khi các chi bị liệt thì vùng não này chuyển đổi nhiệm vụ sang kiểm soát các bộ phận cơ thể khác còn hoạt động.
Nhưng quan sát nêu trên bị thách thức bởi dữ liệu từ BCI. Kỹ sư thần kinh Jennifer Collinger tại Đại học Pittsburgh cùng đồng nghiệp đã cấy ghép BCI nội sọ trên một người đàn ông ngoài 30 tuổi bị liệt các ngón tay nhưng vẫn cử động được cổ tay và khuỷu sau chấn thương tủy sống. BCI cho thấy vùng não vận động bàn tay vẫn được bảo tồn. Bằng chứng là khi anh ta cố gắng cử động các ngón tay thì BCI vẫn bắt được tín hiệu thần kinh tương ứng.
“Các cấu trúc điển hình vẫn còn đó, và chúng tôi không chắc về bất kỳ biến đổi nào hậu chấn thương hay không?” Nhưng không có nghĩa là bộ não không có tính linh hoạt. Dường như mức độ linh hoạt của vùng vỏ não cảm giác kém hơn so với vùng vỏ não vận động.
Trong các tình trạng tổn thương não như đột quỵ, BCI có thể phối hợp với các phương pháp can thiệp điều trị khác trong việc huấn luyện vùng não mới tiếp quản nhiệm vụ của vùng não bị tổn thương. “Não điều chỉnh nhiệm vụ của các vùng chức năng mà ban đầu không được tiến hóa để làm như vậy”, theo kỹ sư thần kinh José del R. Millán tại Đại học Texas-Austin. Ông đang nghiên cứu dùng BCI để cải thiện tính mềm dẻo của não trong lĩnh vực phục hồi chức năng.
Trong một thử nghiệm lâm sàng của Millán trên 14 bệnh nhân bị di chứng đột quỵ mạn tính (chậm phục hồi sau đột quỵ từ sáu tháng trở lên), BCI không xâm lấn được sử dụng trong sáu tuần đồng thời với thiết bị điện kích thích dây thần kinh của các cơ bị liệt. Phương pháp này được gọi là kích thích điện chức năng (FES) dưới sự hướng dẫn của BCI. Khi BCI ghi nhận tín hiệu của não điều khiển duỗi tay (bị liệt), thiết bị FES cũng kích thích các cơ phụ trách động tác duỗi cổ tay và các ngón.
Thử nghiệm có chia nhóm đối chứng ngẫu nhiên (nhóm còn lại nhận kích thích điện tùy ý) cho thấy những người được trị liệu FES dưới hướng dẫn của BCI đã cải thiện số lượng liên kết thần kinh giữa các vùng vận động trên bán cầu não bị tổn thương (đánh giá dựa trên điện não đồ).
Lợi ích lâm sàng trên thực tế cho thấy nhờ áp dụng FES-BCI kèm theo quá trình điều trị phục hồi chức năng kéo dài 6-12 tháng sau đó, các bệnh nhân đã có thể duỗi được tay.
Cấy ghép tác động gì lên bộ não?
Theo nghiên cứu của Millán, BCI có vai trò định hướng học tập cho bộ não. BCI cung cấp vòng lặp phản hồi giữa người và máy, giúp cho người tham gia học được cách điều chỉnh sự tập trung ý nghĩ của mình theo hướng cải thiện tín hiệu thần kinh (ghi nhận theo thời gian thực bởi BCI).
Trong khi hầu hết các nghiên cứu tập trung tối ưu hóa khả năng bắt tín hiệu và hiệu suất giải mã của BCI, thì “người ta lại ít lưu tâm đến những gì thực sự xảy ra trong não do ảnh hưởng từ thiết bị”, theo nhà thần kinh Silvia Marchesotti tại Đại học Geneve, Thụy Sĩ.
Marchesotti nghiên cứu tác động của BCI đối với bộ não, không chỉ với vùng có gắn điện cực mà ở phạm vi rộng hơn. Nghiên cứu của bà trên 15 người khỏe mạnh phát hiện rằng sử dụng BCI không xâm lấn trong năm ngày đã khiến hoạt động của não tăng lên trong dải tần số quan trọng cho chức năng ngôn ngữ và trở nên tập trung hơn theo thời gian. Có lẽ là bộ não phải thích nghi để thực thi hoạt động hiệu quả hơn với ít tài nguyên hơn.
Nghiên cứu hoạt động của não trong quá trình sử dụng BCI là lĩnh vực mới mẻ, hy vọng sẽ giúp cải thiện năng lực của BCI và giúp ích cho bệnh nhân. Ví dụ, dữ liệu cho các nhà khoa học biết cần bổ sung điện cực tại vị trí nào để cải thiện độ chính xác. Hiểu biết về tổ chức não giúp cập nhật công cụ giải mã ít mắc lỗi hơn. Tuy nhiên, phạm vi nguyên cứu của BCI vẫn còn giới hạn do các thử nghiệm chỉ tuyển được số ít người tham gia, và tập trung vào các vùng não liên quan đến chức năng vận động.
Dù còn những giới hạn như vậy nhưng quá trình thương mại hóa BCI đang đến nhanh chóng, với đại diện tiêu biểu là Neuralink. Hiện tại, các thử nghiệm của Neuralink mới đang dừng lại ở những bệnh nhân bị liệt tuy nhiên, Musk cho biết mục tiêu cuối cùng của ông là giúp nhân loại – bao gồm cả những người khỏe mạnh – “đuổi kịp trí tuệ nhân tạo”. Quá trình nghiên cứu “giao diện não – máy” này đã cho thấy nhiều ứng dụng tiềm năng của nó cũng như tham vọng xa hơn nữa của Neuralink trong việc tăng cường khả năng cho não bộ (thậm chí là điều khiển hay tích hợp não người với trí tuệ nhân tạo – AI).
Nhiều nhà khoa học đã lưu ý, mục đích chính của BCI là phục hồi chức năng và điều trị. Cấy ghép BCI xâm lấn thực sự là một cuộc phẫu thuật thần kinh, và không được phép coi nhẹ nguy cơ (đã có những thông tin cho thấy cấy chip vào não có thể có tác dụng phụ, gây viêm, sưng).
Bên cạnh đó, những tham vọng tăng cường khả năng và điều khiển não người đã làm dấy lên những tranh cãi, lo ngại về tính an toàn, đạo đức. Thậm chí nhiều nhà chuyên môn lo ngại rằng những suy nghĩ của con người, được đọc thông qua BCI, có thể bị kẻ xấu đọc được hoặc thao túng tư duy. Ngoài nguy cơ về quyền riêng tư, các nhà khoa học còn lo lắng về những tác động bất lợi tiềm ẩn của thiết bị được cấy ghép vào não như Neuralink, vì các thành phần của thiết bị không dễ thay thế sau khi cấy ghép. Cần có những hướng dẫn rõ ràng về đạo đức và pháp lý để đảm bảo những lợi ích bắt nguồn từ những đổi mới khoa học như chip não của Neuralink cân bằng với sự an toàn của bệnh nhân và lợi ích xã hội.□
Cao Hồng Chiến tổng hợp
Bài đăng Tia Sáng số 6/2024
