Thiết bị cấy ghép giúp con người kết nối với AI

Bằng cách phát hiện tín hiệu não thông qua hơn 60.000 điện cực và truyền chúng đến máy tính, thiết bị cho phép viết hoặc phát âm. Điều này có nghĩa là bệnh nhân bại não có thể tạo ra giọng nói chỉ bằng cách suy nghĩ. Cuộc cạnh tranh chế tạo thiết bị cấy ghép vào não nhỏ hơn và mỏng hơn đang ngày càng gay gắt. Khi việc thương mại hóa BCI đến gần, nhiều khoản đầu tư đang đổ vào thị trường.

Con chip này nhỏ hơn tem bưu điện và cực kỳ mỏng.

Cấy ghép não siêu mỏng với liên kết dữ liệu tốc độ cao

Một thiết bị cấy ghép não mới hứa hẹn sẽ thay đổi tương tác giữa người và máy tính, đồng thời mở rộng khả năng điều trị một số bệnh lý thần kinh như động kinh, chấn thương tủy sống, ALS, đột quỵ và mù lòa - giúp kiểm soát cơn động kinh và phục hồi chức năng vận động, lời nói và thị giác. Bệnh xơ cứng teo cơ một bên (ALS), trước đây được gọi là bệnh Lou Gehrig, là một rối loạn thần kinh ảnh hưởng đến mạng tế bào thần kinh vận động.

Tế bào thần kinh vận động là các tế bào thần kinh trong não và tủy sống điều khiển chuyển động cơ bắp tự nguyện và hô hấp. Thiết bị này thực hiện điều này bằng cách tạo ra một kênh giao tiếp ít xâm lấn, thông lượng cao, trực tiếp vào và ra khỏi não. Điểm làm nên tiềm năng của hệ thống chính là kích thước cực nhỏ kết hợp với khả năng truyền tải lượng lớn dữ liệu cực nhanh.

Được phát triển bởi nhiều nhóm nghiên cứu tại Đại học Columbia, Bệnh viện NewYork-Presbyterian, Đại học Stanford và Đại học Pennsylvania, giao diện BCI được xây dựng xung quanh một chip silicon duy nhất, cung cấp một cầu nối không dây, băng thông cao giữa não và máy tính bên ngoài. Nền tảng này được gọi là Hệ thống Giao diện Sinh học với Vỏ não (BISC). Trong một nghiên cứu được công bố ngày 8/12/2025 trên tạp chí Nature Electroni, một nhóm nhà nghiên cứu mô tả BISC bao gồm ba phần chính: một chip cấy ghép đơn, một “trạm tiếp sóng” đeo được và phần mềm chuyên dụng vận hành hệ thống.

Ken Shepard, Giáo sư Kỹ thuật điện, kỹ thuật y sinh và khoa học thần kinh tại Đại học Columbia - một trong những tác giả chính của công trình và là người hướng dẫn nỗ lực kỹ thuật, báo cáo: “Hầu hết các hệ thống cấy ghép đều được chế tạo xung quanh một hộp chứa nhiều thiết bị điện tử chiếm một thể tích khổng lồ bên trong cơ thể. Cấy ghép của chúng tôi là một chip mạch tích hợp đơn mỏng đến mức có thể trượt vào khoảng không giữa não và hộp sọ, nằm trên não như… một tờ giấy ướt”.

Andreas S. Tolias, Tiến sĩ, giáo sư nhãn khoa, đồng giám đốc sáng lập Dự án Enigma tại Đại học Stanford, là tác giả chính và đồng thời là đồng tác giả liên lạc.

Biến vỏ não thành một cổng thông tin băng thông cao

Shepard hợp tác với Andreas S. Tolias, tiến sĩ, giáo sư nhãn khoa và đồng giám đốc sáng lập Dự án Enigma tại Đại học Stanford, tác giả chính và đồng thời là đồng tác giả liên lạc. Công trình tiên phong của Tolias trong việc đào tạo mô hình AI trên các tập dữ liệu thần kinh quy mô lớn - bao gồm các tập dữ liệu được ghi lại trong phòng thí nghiệm Tolias bằng BISC - đã cho phép nhóm nghiên cứu kiểm tra nghiêm ngặt khả năng giải mã hoạt động thần kinh của thiết bị. Tolias giải thích: “BISC biến bề mặt vỏ não thành một cổng thông tin hiệu quả, cung cấp giao tiếp đọc-ghi băng thông rộng, ít xâm lấn với AI và những thiết bị bên ngoài. Khả năng mở rộng trên một chip duy nhất của nó mở đường cho loại thiết bị chỉnh hình thần kinh thích ứng và giao diện não-AI điều trị nhiều rối loạn thần kinh, chẳng hạn như động kinh”.

Tiến sĩ Brett Youngerman, phó giáo sư phẫu thuật thần kinh tại Đại học Columbia và bác sĩ phẫu thuật thần kinh tại Trung tâm Y tế Irving thuộc Đại học NewYork-Presbyterian/Columbia và là đối tác lâm sàng chính của dự án, bình luận: “Thiết bị có độ phân giải cao, thông lượng dữ liệu cao này có tiềm năng cách mạng hóa việc quản lý các tình trạng thần kinh từ động kinh đến liệt”. Youngerman, Shepard và bác sĩ thần kinh chuyên khoa động kinh tại Đại học New York - Presbyterian/Columbia cùng với tiến sĩ Catherine Schevon, gần đây đã được Viện Y tế quốc gia trao tặng một khoản tài trợ để triển khai BISC trong việc quản lý động kinh kháng thuốc.

Tiến sĩ Youngerman cho biết thêm: “Chìa khóa để có thiết bị BCI hiệu quả là tối đa hóa luồng thông tin đến và đi từ não, đồng thời làm cho thiết bị ít xâm lấn nhất có thể trong quá trình cấy ghép phẫu thuật. BISC vượt trội hơn công nghệ trước đây trên cả hai mặt trận”. Shepard nói thêm: “Công nghệ bán dẫn đã biến điều này thành hiện thực, cho phép sức mạnh tính toán của những chiếc máy tính cỡ phòng giờ đây có thể nằm gọn trong túi bạn. Chúng tôi hiện cũng đang làm điều tương tự với nhiều loại thiết bị cấy ghép y tế, cho phép những thiết bị điện tử phức tạp tồn tại trong cơ thể mà gần như không chiếm dụng không gian”.

Tại sao cấy ghép não thông thường lại lớn và xâm lấn? BCI hoạt động bằng cách kết nối với các tín hiệu điện nhỏ mà tế bào thần kinh sử dụng để giao tiếp. Trong những thiết bị y tế hiện nay, việc này thường bao gồm việc lắp ráp nhiều bộ phận vi điện tử riêng biệt - chẳng hạn như bộ khuếch đại, bộ chuyển đổi dữ liệu, máy phát vô tuyến và mạch quản lý năng lượng. Vì tất cả phần cứng này phải được đặt ở đâu đó, bác sĩ thường cấy ghép một hộp điện tử tương đối lớn, bằng cách cắt bỏ một phần hộp sọ hoặc đặt nó ở một vị trí khác trên cơ thể - chẳng hạn như ngực, rồi định tuyến dây dẫn lên não.

Ken Shepard, Giáo sư Kỹ thuật Điện, kỹ thuật y sinh và khoa học thần kinh tại Đại học Columbia, một trong những tác giả chính của công trình và là người hướng dẫn kỹ thuật.

BISC thu nhỏ bộ phận cấy ghép não thành một con chip duy nhất như thế nào

BISC áp dụng một cách tiếp cận khác. Toàn bộ thiết bị cấy ghép là một chip mạch tích hợp bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) duy nhất, được làm mỏng chỉ còn 50 micromet và chiếm chưa đến 1/1.000 thể tích của một thiết bị thông thường. Với tổng thể tích khoảng 3 milimét khối, con chip linh hoạt này có thể uốn cong để phù hợp với bề mặt não. Thiết bị vi điện não đồ (ECoG) bao gồm 65.536 điện cực, 1.024 kênh ghi đồng thời và 16.384 kênh kích thích.

Nhờ được chế tạo bằng cùng loại quy trình sản xuất quy mô lớn được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn, thiết bị cấy ghép này có thể được sản xuất với số lượng lớn. Bên trong con chip đơn này là tất cả linh kiện điện tử cần thiết cho giao diện: bộ thu phát vô tuyến, mạch nguồn không dây, logic điều khiển kỹ thuật số, quản lý năng lượng, bộ chuyển đổi dữ liệu và những thành phần tương tự cần thiết cho việc ghi nhận và kích thích.

Một trạm chuyển tiếp bên ngoài chạy bằng pin vừa cấp nguồn cho thiết bị cấy ghép vừa trao đổi dữ liệu với nó thông qua liên kết vô tuyến băng thông siêu rộng tùy chỉnh, đạt băng thông dữ liệu 100 Mbps - thông lượng cao hơn ít nhất 100 lần so với bất kỳ BCI không dây nào hiện có. Bản thân trạm chuyển tiếp này trông giống như một thiết bị WiFi 802.11, hoạt động hiệu quả như một cầu nối giữa bất kỳ máy tính nào và não bộ. BISC cũng giới thiệu bộ hướng dẫn riêng và một bộ phần mềm đáng kể, cùng nhau tạo thành một kiến trúc điện toán chuyên dụng cho BCI.

Trong những thí nghiệm được báo cáo, hệ thống băng thông cao này cho phép gửi các mẫu hoạt động não phong phú đến công cụ học máy và học sâu tiên tiến, có khả năng giải mã các ý định, nhận thức và trạng thái nội tại phức tạp. Shepard nói: “Bằng cách tích hợp mọi thứ trên một miếng silicon, chúng tôi đã chứng minh được giao diện não có thể trở nên nhỏ hơn, an toàn hơn và mạnh mẽ hơn đáng kể”.

Từ mô hình tiền lâm sàng đến thử nghiệm sớm trên người

Để đưa công nghệ này vào ứng dụng lâm sàng, nhóm của Shepard đã hợp tác chặt chẽ với Youngerman và các đồng nghiệp tại Trung tâm Y tế Irving thuộc Đại học NewYork-Presbyterian/Columbia. Họ phát triển và cải tiến nhiều kỹ thuật phẫu thuật để đặt con chip mỏng như tờ giấy một cách an toàn vào mô hình tiền lâm sàng, đồng thời xác minh rằng nó có thể ghi lại toàn bộ tín hiệu thần kinh một cách đáng tin cậy và ổn định theo thời gian, như đã nêu trong nghiên cứu mới. Các nghiên cứu ban đầu trên bệnh nhân đang được tiến hành, tập trung vào việc ghi lại dữ liệu ngắn hạn trong quá trình phẫu thuật.

Youngerman chia sẻ: “Những nghiên cứu ban đầu này cung cấp cho chúng tôi dữ liệu vô giá về hiệu quả hoạt động của thiết bị trong môi trường phẫu thuật thực tế. Thiết bị cấy ghép có thể được đưa vào thông qua một vết mổ ít xâm lấn trên hộp sọ và trượt trực tiếp lên bề mặt não trong khoang dưới màng cứng. Thiết kế mỏng như giấy và không có điện cực hoặc dây dẫn xuyên não giúp thiết bị cấy ghép vào hộp sọ giảm thiểu phản ứng của mô và suy giảm tín hiệu theo thời gian”. Việc thử nghiệm tiền lâm sàng mở rộng BISC ở vỏ não vận động và thị giác có sự hợp tác của Tiến sĩ Tolias và Bijan Pesaran, giáo sư phẫu thuật thần kinh tại Đại học Pennsylvania, những người được công nhận là những nhà lãnh đạo trong lĩnh vực khoa học thần kinh hệ thống và tính toán.

Pesaran cho biết: “Việc thu nhỏ cực độ của BISC rất thú vị vì nó là nền tảng cho thế hệ công nghệ cấy ghép mới, đồng thời có thể giao tiếp với não thông qua các phương thức khác như ánh sáng và âm thanh”. Được phát triển trong chương trình Thiết kế hệ thống kỹ thuật thần kinh của Cơ quan các dự án nghiên cứu quốc phòng tiên tiến (DARPA), BISC kết hợp chuyên môn về vi điện tử của Đại học Columbia, các chương trình khoa học thần kinh tiên tiến tại Stanford và Penn, và sự đổi mới trong phẫu thuật của Trung tâm y tế Irving thuộc Đại học Columbia/NewYork-Presbyterian.

Miếng ghép BISC có độ dày gần bằng một sợi tóc người.

Thương mại hóa và ứng dụng AI não bộ trong tương lai

Để đẩy nhanh tiến độ ứng dụng thực tế, một nhóm nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia và Stanford đã thành lập Kampto Neurotech, một công ty con do tiến sĩ Nanyu Zeng, cựu sinh viên ngành kỹ thuật điện của Đại học Columbia, một trong những kỹ sư dẫn đầu dự án, sáng lập. Kampto Neurotech đang phát triển các phiên bản thương mại của con chip cho nghiên cứu tiền lâm sàng và đang tìm kiếm sự hỗ trợ đưa công nghệ này vào ứng dụng trong tương lai trên người. Zeng lạc quan: “Đây là một cách chế tạo thiết bị BCI hoàn toàn khác biệt. Theo cách này, BISC sở hữu năng lực công nghệ vượt trội hơn hẳn các thiết bị cạnh tranh”.

Khi trí tuệ nhân tạo phát triển, công nghệ BCI ngày càng thu hút sự quan tâm vì khả năng phục hồi các khả năng đã mất ở những người mắc bệnh thần kinh và có khả năng tăng cường chức năng bình thường bằng cách tạo ra kết nối trực tiếp giữa não và máy móc. Shepard kết luận: “Bằng cách kết hợp ghi hình thần kinh độ phân giải cực cao với hoạt động hoàn toàn không dây, kết hợp với thuật toán giải mã và kích thích tiên tiến, chúng ta đang hướng tới một tương lai mà não bộ và hệ thống AI có thể tương tác liền mạch - không chỉ vì mục đích nghiên cứu mà còn vì lợi ích của con người. Điều này giúp thể thay đổi cách chúng ta điều trị các rối loạn não bộ, cách chúng ta giao tiếp với máy móc, và cuối cùng là cách con người tương tác với AI”.

Diên San (Tổng hợp)