Hệ thống chip silicon giúp quan sát hàng trăm tế bào thần kinh não

Thay vì chụp ảnh, hệ thống công nghệ dựa trên các chip silicon từ máy ảnh giờ đây sẽ quay một bộ phim về hoạt động điện thần kinh theo thời gian thực.

Hình ảnh cận cảnh cấu trúc mảng các sợi cực mỏng

Andrew Brodhead/Stanford News Service

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford (Mỹ) đã phát triển một thiết bị mới để kết nối trực tiếp bộ não với hệ thống công nghệ dựa trên các chip silicon được điều chỉnh từ máy ảnh. Mặc dù các thiết bị giao diện máy - não (brain-machine interface) đã tồn tại và được sử dụng cho bộ phận nhân tạo, điều trị bệnh và nghiên cứu não, nhưng thiết bị mới nhất này có thể ghi lại nhiều dữ liệu hơn trong khi ít xâm phạm hơn những lựa chọn hiện có.

“Chưa có ai từng sử dụng những thiết bị điện tử silicon 2D này và kết hợp chúng với cấu tạo ba chiều của bộ não. Chúng tôi phải vận dụng hết những gì chúng tôi biết về chế tạo chip thông thường và thiết kế quy trình mới để đưa thiết bị điện tử silicon vào chiều kích thứ ba. Và chúng tôi phải làm điều này theo cách nó có thể tăng quy mô một cách dễ dàng”, Abdulmalik Obaid, sinh viên tốt nghiệp ngành khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Stanford, nói.

Nghiên cứu về thiết bị mới được đăng trên tạp chí Science Advances xuất bản vào ngày 20.3. Hệ thống thiết bị chứa một bó sợi dẫn bằng kim loại cực mỏng, với kích thước chiều rộng mỗi sợi nhỏ hơn một nửa chiều rộng của một sợi tóc mỏng nhất. Những sợi cực mỏng này có thể được nhẹ nhàng cấy vào não và kết nối trực tiếp bên ngoài với một chip silicon ghi lại các tín hiệu não đi qua mỗi sợi, giống như làm một bộ phim về hoạt động điện thần kinh. Phiên bản hiện tại của thiết bị chỉ chứa hàng trăm sợi cực mỏng, nhưng trong tương lai có thể lên tới hàng nghìn.

“Hoạt động điện là một trong những cách có độ phân giải cao nhất để quan sát hoạt động của não. Với các sợi dẫn cực mỏng, chúng ta có thể thấy những gì đang diễn ra ở cấp độ nơ-ron đơn”, Nick Melosh, đồng tác giả nghiên cứu, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Stanford, cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm giao diện máy-não của họ trên các tế bào võng mạc cô lập của chuột và trong não của những con chuột sống. Ở cả hai trường hợp, họ đều thu hoạch thành công các tín hiệu có ý nghĩa đi qua hàng trăm các sợi dẫn cực nhỏ. Nghiên cứu đang được thực hiện sẽ xác định thêm thời gian thiết bị có thể tồn tại trong não và những tín hiệu nào có thể tiết lộ. Nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm đến những tín hiệu cho biết về việc học. Họ cũng đang xem xét việc áp dụng thiết bị trong phục hình, đặc biệt là phục hồi giọng nói, thị lực.

Đáng đ mong đi

Các nhà nghiên cứu biết rằng, để đạt được mục tiêu họ phải tạo ra một giao diện máy-não không chỉ tồn tại lâu dài mà còn phải có khả năng thiết lập kết nối chặt chẽ với não, trong khi thiệt hại có thể gây ra phải dừng ở mức tối thiểu. Họ quyết định tập trung vào việc kết nối với các thiết bị silicon để tận dụng những tiến bộ trong loại công nghệ này. “Chip silicon rất mạnh và có khả năng mở rộng đáng kinh ngạc. Các bộ đôi cấu trúc dữ liệu mảng của chúng tôi với công nghệ đó rất đơn giản. Bạn thực sự chỉ cần lấy một con chip, ấn nó vào đầu cuối lộ ra của bó sợi và nhận tín hiệu“, giáo sư Nick Melosh nói.

Một thách thức chính mà các nhà nghiên cứu đã giải quyết là tìm ra cách cấu trúc mảng. Mặc dù thành phần chính của nó là hàng trăm sợi cực mỏng, nhưng nó phải mạnh mẽ và bền bỉ. Giải pháp được đưa ra là quấn từng sợi trong một màng polymer an toàn sinh học, sau đó bó chúng lại với nhau trong một vòng đệm kim loại. Điều này đảm bảo các sợi được đặt cách nhau và được định hướng đúng. Bên dưới vòng trục, polymer sẽ được loại bỏ để các sợi có thể định hướng riêng biệt vào não. Những thiết bị giao diện máy-não hiện có được giới hạn ở khoảng 100 sợi cung cấp 100 kênh tín hiệu và mỗi kênh phải được đặt bằng tay rất cẩn thận, tỉ mỉ trong cấu trúc mảng. Các nhà nghiên cứu đã dành nhiều năm để hoàn thiện kỹ thuật thiết kế và chế tạo để tạo ra một mảng với hàng ngàn kênh.

“Thiết kế của thiết bị này hoàn toàn khác biệt với bất kỳ thiết bị ghi nhận tín hiệu mật độ nào hiện có. Hình dạng, kích thước và mật độ của mảng có thể được thay đổi đơn giản trong quá trình chế tạo. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể ghi nhận tín hiệu đồng thời các vùng não khác nhau, ở các độ sâu khác nhau với hầu như bất kỳ cấu trúc 3D nào. Nếu được áp dụng rộng rãi, công nghệ này có thể tăng sự hiểu biết của chúng ta về chức năng não đối với tình trạng sức khỏe và bệnh tật”, Jun Ding, trợ lý giáo sư phẫu thuật thần kinh và thần kinh học, đồng tác giả nghiên cứu, nói.

Sau nhiều năm theo đuổi ý tưởng đầy tham vọng này, phải đến tận cuối quá trình nghiên cứu họ mới có được một thiết bị có thể thử nghiệm trên mô sống. Hiện nhóm nghiên cứu đang tiến hành thí nghiệm dài hạn hơn trên động vật để kiểm tra độ bền của mảng và hiệu suất của các phiên bản quy mô lớn.

 

Đánh giá trung bình 0/5 ( 0 Nhận xét )
5 0
4 0
3 0
2 0
1 0
Chia sẻ cảm nhận của bạn Viết nhận xét của bạn

Mời quý khách nhập thông tin nội dung bình luận

* Rating
9715 *