Giao diện não - máy tính cho người liệt sẽ sớm được ứng dụng rộng rãi?

Tháng 3/2017, James Johnson bị gãy cổ trong một vụ tai nạn giao thông và gần như bị liệt hoàn toàn từ cổ trở xuống. "Tôi hoàn toàn suy sụp, tôi đã nghĩ rằng sau tai nạn này mình sẽ chẳng còn làm được gì nữa," Johnson nói. Cho đến khi nhóm phục hồi chức năng giới thiệu anh với các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California (Caltech). Ở đây, Johnson tham gia một thử nghiệm lâm sàng về hệ thống giao diện não - máy tính (BCI).

Đầu tiên, anh phải trải qua phẫu thuật thần kinh để cấy ghép hai lưới điện cực vào vỏ não. Các điện cực có nhiệm vụ ghi lại hoạt động của các tế bào thần kinh trong não, sau đó các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng các thuật toán để giải mã các hoạt động này thành suy nghĩ và ý định. Ý tưởng đằng sau công nghệ BCI là giúp những người liệt toàn thân như Johnson dùng suy nghĩ để vận hành máy tính hoặc điều khiển một chi giả để cầm nắm. Lý thuyết là vậy, nhưng cần nhiều năm và hàng trăm buổi đào tạo chuyên sâu để bệnh nhân có thể vận hành được hệ thống. Cho dù vậy, "tôi không hề do dự," Johnson nói.

Lần đầu tiên sử dụng BCI, tháng 11/2018, Johnson đã di chuyển được con trỏ trên màn hình máy tính. Kể từ đó đến nay, anh đã học sử dụng BCI để điều khiển cánh tay robot, sử dụng phần mềm Photoshop, chơi trò chơi điện tử ‘bắn súng’ và mô phỏng lái xe.

Johnson là một trong số rất ít, khoảng 35 người, đã được cấy BCI vào não. Chỉ có khoảng một chục phòng thí nghiệm tiến hành nghiên cứu công nghệ này, nhưng con số đó đang tăng lên. Trong 5 năm qua, số kỹ năng và độ phức tạp của kỹ năng mà BCI có thể khôi phục cho người liệt đã tăng rất nhiều. Chỉ riêng trong năm ngoái đã có vài kỳ tích: một bệnh nhân dùng BCI điều khiển cánh tay robot và nhận phản hồi giác quan (cảm giác) từ cánh tay gửi về não; một bệnh nhân không nói được do đột quỵ đã nói được qua BCI và một thiết bị phát âm.

Cho đến nay, phần lớn các thiết bị cấy ghép do một công ty duy nhất sản xuất: Blackrock Neurotech, Mỹ. Nhưng trong những năm qua, ngày càng nhiều bên quan tâm đưa BCI vào thương mại hóa. Đáng chú ý nhất, năm 2016, doanh nhân Elon Musk ra mắt Neuralink, cũng là một hệ thống kết nối con người và máy tính. Công ty đã huy động được 363 triệu USD để phát triển sản phẩm.

BCI hiện vẫn là một công nghệ rất đắt tiền, làm riêng theo đặt hàng và chỉ thử nghiệm ở một số ít người. Để thương mại hóa, cần chuyển đổi nó thành một sản phẩm có thể sản xuất, cấy ghép và sử dụng hàng loạt. Các nhà nghiên cứu sẽ phải chứng minh rằng BCI có thể hoạt động trong môi trường thực tế và cải thiện đáng kể cuộc sống hằng ngày của người dùng - ở một mức giá hợp lý.

Những người bị liệt không mong gì hơn được phục hồi cử động. Một giải pháp là cấy các điện cực kích thích trực tiếp các cơ ở tay chân và dùng BCI kiểm soát chúng. “Nếu có thể nắm bắt các tín hiệu tự nhiên của não liên quan đến điều khiển chuyển động của tay, về cơ bản có thể bỏ qua vai trò trung gian của tủy sốngđể vận hành các chi," nhà khoa học thần kinh Bolu Ajiboye tại Đại học Case Western Reserve ở Cleveland, Ohio, cho biết.

Năm 2017, Ajiboye và các đồng nghiệp mô tả một bệnh nhân đã sử dụng hệ thống này để thực hiện các chuyển động phức tạp của cánh tay, bao gồm uống một tách cà phê và tự ăn; người tham gia cũng lấy lại cảm giác có cánh tay. Ajiboye đang tìm cách bổ sung thêm các tín hiệu lệnh mà hệ thống BCI có thể giải mã, chẳng hạn như tín hiệu thể hiện hành động bám. Nhóm Ajiboye cũng muốn mang lại cho người dùng BCI xúc giác, một mục tiêu nhiều phòng thí nghiệm đang theo đuổi.

Năm 2015, một nhóm nghiên cứu của nhà thần kinh học Robert Gaunt tại Đại học Pittsburgh ở Pennsylvania, báo cáo đã cấy ghép một mảng điện cực vào vùng điều khiển tay trên vùng vỏ não xử lý thông tin xúc giác của một người. Khi họ sử dụng các điện cực để kích thích tế bào thần kinh, người bệnh cảm thấy như có gì đó chạm vào họ. Sau đó, nhóm Gaunt còn tạo ra một cánh tay robot gắn cảm biến áp suất ở đầu ngón tay - các cảm biến này truyền tín hiệu về các điện cực ở vỏ não, tạo cho người bệnh một dạng xúc giác "nhân tạo". Cảm giác này không hoàn toàn tự nhiên, vì đôi khi lại có cảm giác hơi tê tê, Gaunt giải thích. Nhưng nhìn chung phản hồi xúc giác làm cho việc sử dụng chi giả trở nên tự nhiên hơn nhiều và thời gian người bệnh dùng tay giả lấy một vật thể đã giảm một nửa, từ khoảng 20 giây xuống còn 10 giây.

Các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu việc cấy nhiều mảng điện cực vào các vùng não có các vai trò khác nhau để tạo thêm những đặc điểm tinh tế và chính xác cho chuyển động. Chẳng hạn như đưa điện cực vào vỏ não sau, nơi hình thành ý định hoặc kế hoạch chuyển động, để tạo thành một kế hoạch hoàn chỉnh như "tôi sẽ uống một ly", thay vì chỉ cầm cốc từ điểm này đến điểm khác, và vỏ não sẽ tạo ra tín hiệu vận động hướng bàn tay vào cốc rồi đưa cốc lên miệng. Kỹ thuật này trong tương lai có thể cải thiện hiệu suất BCI hơn nữa, làm quỹ đạo chuyển động trở nên ổn định, nhưng chưa có nghiên cứu nào được công bố chính thức.

“Một trong những hậu quả tàn khốc nhất liên quan đến chấn thương não là mất khả năng giao tiếp," Edward Chang, nhà giải phẫu thần kinh và nhà thần kinh học tại Đại học California, San Francisco, cho biết. Với các hệ thống BCI sơ khai, những người tham gia có thể di chuyển con trỏ trên màn hình máy tính bằng cách tưởng tượng bàn tay của họ đang di chuyển, và sau đó chọn chữ cái bằng cách tưởng tượng dùng bàn tay"nắm" lấy các chữ. Tốc độ kỷ lục của cách giao tiếp này, khoảng 40 ký tự mỗi phút, được thiết lập vào năm 2017 bởi một nhóm nghiên cứu tại Đại học Stanford.

Nhóm Chang muốn người dùng BCI có thể giao tiếp dựa trên suy nghĩ về việc nói - cách giao tiếp tự nhiên hơn so với viết. Giống như chữ viết được tạo thành từ các chữ cái riêng biệt, lời nói được hình thành từ các âm vị hay. Có khoảng 50 âm vị trong tiếng Anh (khoảng 38 trong tiếng Việt), và mỗi âm vị được tạo ra bởi một tổ hợp chuyển động của dây thanh quản, lưỡi và môi.

Đầu tiên họ phải nghiên cứu về đặc điểm của phần não tạo ra âm vị, và giọng nói. Sau đó, họ áp dụng những hiểu biết này này để tạo ra một hệ thống giải mã: biến suy nghĩ về việc nói của người dùng BCI thành văn bản hiển thị trên màn hình. Nhóm đã báo cáo rằng thiết bị này cho phép một người không thể nói chuyện do đột quỵ có thể giao tiếp với tốc độ 15 từ mỗi phút (tuy nhiên từ vựng sử dụng chỉ trong danh sách 50 từ cho trước). Nhưng "điều quan trọng nhất mà chúng tôi học được là công nghệ này không còn là lý thuyết nữa, thực sự có thể giải mã suy nghĩ thành các từ đầy đủ," Chang nói.

Các nhà khoa học cho biết ngày càng có nhiều các nghiên cứu lâm sàng và những bước nhảy vọt về công nghệ BCI, và công nghệ này sẽ tiếp tục cải thiện hơn nữa khi ngày càng có nhiều sự chú ý từ khu vực công nghiệp và tư nhân.

BCI vẫn còn một chặng đường dài để trở thành một công nghệ ứng dụng phổ biến cho những người mất khả năng di chuyển hoặc mất giọng nói. Hiện tại, những người tham gia thử nghiệm BCI chỉ sử dụng hệ thống trong các phiên bản ngắn gọn và chuyên sâu; toàn bộ quá trình được kết nối vật lý với một ngân hàng máy tính và được giám sát bởi một nhóm các nhà khoa học làm việc liên tục để hiệu chỉnh các bộ giải mã và phần mềm liên quan. Lý tưởng nhất, BCI phải trở thành một thiết bị có sẵn, như một dạng thuốc kê đơn dễ dàng sử dụng. Thiết bị cũng cần có độ bền để sử dụng suốt đời.

Nhiều học giả hàng đầu hiện đang hợp tác với các công ty để phát triển các thiết bị thương mại. Các thiết bị hiện có của Blackrock Neurotech đã là trụ cột của nghiên cứu BCI lâm sàng trong 18 năm qua, và họ muốn đưa một hệ thống BCI ra thị trường ngay trong một năm tới. Họ đã tiến thêm một bước vào tháng 11 năm ngoái, khi Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đưa các sản phẩm của công ty vào quy trình xét duyệt nhanh để tạo điều kiện phát triển thương mại cho các sản phẩm y tế cần thiết.

Hệ thống BCI thương mại đầu tiên này sẽ sử dụng bốn mảng điện cực cấy ghép kết nối qua dây đến một thiết bị làm nhiệt vụ giải mã tín hiệu não. Bên cạnh đó, Blackrock Neurotech còn phát triển BCI không dây hoàn toàn. Neuralink cũng đang phát triển các hệ thống có những tính năng tương tự.

Các công ty muốn tìm cách tăng cường băng thông tín hiệu để cải thiện hiệu suất của thiết bị, cụ thể là ghi lại tín hiệu của nhiều tế bào thần kinh hơn. Hệ thống của Neuralink sử dụng các điện cực rất mỏng, linh hoạt, chỉ như sợi chỉ, được thiết kế để uốn cong theo cấu trúc não và hạn chế các phản ứng miễn dịch. Neuralink chưa xuất bản bất kỳ bài báo được bình duyệt nào, nhưng một bài blog năm 2021 cho biết hệ thống của họ có thể ghi lại hoạt động của 1.024 vị trí trên não khỉ. Cho đến nay, Neuralink mới thử nghiệm hệ thống của mình trên động vật, nhưng nếu những gì họ tuyên bố là đúng, đây có thể là nhân tố thay đổi cuộc chơi.

Chỉ có một công ty khác ngoài Blackrock Neurotech đã cấy BCI dài hạn vào người: Synchron. Bộ BCI gồm 16 điện cực của Synchron lần đầu được cấy vào người mắc bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS) vào tháng 8/2019, và đã được FDA đưa vào lộ trình xét duyệt nhanh một năm sau đó. Công ty cho biết sẽ thử nghiệm ở quy mô lớn hơn để đánh giá hiệu quả cải thiện chức năng và chất lượng cuộc sống, trước khi nộp đơn xin phê duyệt từ FDA.

Tuy có nhiều hứa hẹn, BCI vẫn gây một số lo ngại, từ quyền riêng tư đến quyền tự chủ cá nhân. Các nhà đạo đức học nhấn mạnh người dùng cần được giữ toàn quyền kiểm soát đầu ra của thiết bị. Và mặc dù các công nghệ hiện tại chưa thể giải mã những suy nghĩ riêng tư của con người, nhưng các nhà phát triển thiết bị sẽ có dữ liệu về mọi giao tiếp của người dùng và sức khỏe não bộ của họ.