Trung Quốc chế tạo thiết bị đeo theo dõi não nhỏ nhất thế giới với khả năng quan sát toàn bộ vỏ não

Một con chuột được gắn thiết bị Airscope, thiết bị có khả năng theo dõi hàng ngàn tế bào não cùng một lúc. Ảnh: ĐH Thanh Hoa.

Các nhà khoa học Trung Quốc phát triển thiết bị theo dõi não không dây nặng chỉ 1 gram, có thể ghi nhận hoạt động của hơn 8.500 tế bào thần kinh cùng lúc khi chuột thí nghiệm di chuyển tự do. Công nghệ này có thể mở ra hướng nghiên cứu mới về trí thông minh, hành vi xã hội và cảm xúc.

Thiết bị mang tên Airscope được giới thiệu là thiết bị theo dõi não đeo được nhỏ nhất thế giới, có khả năng ghi nhận hoạt động của hàng nghìn tế bào thần kinh cùng thời điểm.

Chỉ nặng 1 gram, tương đương 0,35 ounce, Airscope cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi hoạt động não của động vật thí nghiệm mà không cần cố định đầu hoặc buộc chúng vào dây cáp.

Thiết bị do các nhà khoa học thuộc Đại học Thanh Hoa và Trường Y của Quân Giải phóng Nhân dân Trung Quốc (PLA) phối hợp phát triển. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học bình duyệt Nature hôm thứ Hai.

“Chiếc kính hiển vi này sẽ thúc đẩy các giao diện quang học não - máy tính theo hướng phát hiện hoạt động thần kinh chính xác hơn”, ông Dai Qionghai, tác giả liên hệ của nghiên cứu thuộc khoa tự động hóa Đại học Thanh Hoa, cho biết.

Trong bài đăng trên mạng xã hội hôm thứ Ba, Đại học Thanh Hoa dẫn lời ông Dai nhận định công nghệ này có tiềm năng vượt ra ngoài lĩnh vực nghiên cứu não bộ.

“Trong tương lai, ứng dụng của công nghệ dự kiến sẽ mở rộng từ khoa học thần kinh sang các lĩnh vực như miễn dịch học và ung thư học, cho phép theo dõi toàn bộ quá trình phát triển của bệnh”, ông nói.

Thiết bị nhỏ gọn giải quyết bài toán khó của khoa học thần kinh

Airscope thuộc nhóm thiết bị mesoscope — hệ thống quang học cao cấp dùng để quan sát mô sinh học, chẳng hạn hoạt động thần kinh ở vỏ não, trên quy mô trung gian.

Công nghệ này thu hẹp khoảng cách giữa kính hiển vi thông thường và thiết bị quan sát ở quy mô lớn hơn, giúp các nhà nghiên cứu theo dõi hoạt động tế bào trên trường quan sát rộng mà vẫn phân biệt được từng tế bào riêng lẻ.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học tìm cách quan sát rõ hơn cách tế bào thần kinh điều phối hành vi phức tạp khi động vật tương tác tự nhiên với nhau. Đây là bước quan trọng để hiểu rõ hơn bản chất của trí thông minh.

Thách thức nằm ở việc theo dõi một vùng mô rộng nhưng vẫn phân biệt chính xác hoạt động của từng tế bào. Trước đây, những thiết bị đáp ứng yêu cầu này thường buộc động vật phải được cố định đầu hoặc kết nối bằng dây cáp. Các thiết bị đủ nhỏ để động vật di chuyển tự do lại thường có trường quan sát rất hẹp, nhiều trường hợp dưới 1 mm.

Nhóm của ông Dai đã thu nhỏ thể tích thiết bị xuống gần 100.000 lần so với kính hiển vi để bàn thông thường, trong khi chất lượng tín hiệu thần kinh được ghi nhận vẫn ở mức tương đương.

Nhóm cũng sử dụng cảm biến hình ảnh 2 megapixel có khả năng nén dữ liệu, cho phép truyền không dây hình ảnh ở độ phân giải megapixel.

Để phát triển thiết bị, các nhà khoa học phải tối ưu đồng thời hệ thống quang học, chiếu sáng, điện tử và truyền dữ liệu. Họ sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để thiết kế thấu kính, đồng thời phát triển mô hình thị giác máy tính có thể nhận diện và liên tục theo dõi đối tượng trong video, hạn chế tình trạng mất dấu hoặc nhầm lẫn.

Ghi lại hoạt động của hơn 8.500 tế bào thần kinh cùng lúc

Nhóm nghiên cứu sử dụng Airscope để khảo sát sự thay đổi của tín hiệu thần kinh trong nhiều hành vi khác nhau ở chuột.

Các nhà khoa học gắn thiết bị lên chuột và cho chúng di chuyển trong môi trường thí nghiệm được thiết kế riêng, gồm đường dốc, hốc cây và nơi trú ẩn. Nhờ hệ thống đủ nhẹ, chuột có thể tự do đào bới, leo trèo và khám phá mà không bị cản trở đáng kể.

Trong lúc chuột di chuyển, thiết bị ghi nhận đồng thời hoạt động của hơn 8.500 tế bào thần kinh riêng lẻ trong vỏ não của một con chuột.

Kết quả nghiên cứu giúp xác định cách các mô hình hoạt động ở những vùng phía lưng của vỏ não ảnh hưởng đến lợi thế cạnh tranh xã hội của động vật.

Nhóm nghiên cứu hy vọng công nghệ này sẽ giúp tìm hiểu sâu hơn các cơ chế thần kinh chi phối hành vi xã hội và trạng thái cảm xúc, từ đó cung cấp manh mối cho việc nghiên cứu những tình trạng như trầm cảm.

Khả năng theo dõi nhiều tế bào thần kinh khi động vật di chuyển tự do có ý nghĩa quan trọng, bởi hành vi tự nhiên thường liên quan đến sự phối hợp phức tạp giữa nhiều vùng não. Các phép đo khi động vật bị cố định có thể khó phản ánh đầy đủ những quá trình này.

Nhóm nghiên cứu Thanh Hoa theo đuổi công nghệ hình ảnh từ năm 2013

Theo Đại học Thanh Hoa, nhóm của ông Dai đã nghiên cứu công nghệ hình ảnh mesoscopic từ năm 2013.

Năm 2024, nhóm công bố hệ thống kính hiển vi quan sát mô sống mang tên RUSH3D, có khả năng ghi hình các tương tác ba chiều trong một mạng lưới tế bào lớn.

RUSH3D đạt độ phân giải dưới tế bào trên trường quan sát rộng tới hàng centimet, đồng thời ghi hình ba chiều ở tốc độ 20 khung hình mỗi giây, cho phép quan sát liên tục trong nhiều giờ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Cell vào giữa tháng 9/2024. Công trình sau đó được đưa vào danh sách những tiến bộ khoa học lớn của Trung Quốc trong năm, theo South China Morning Post.

Airscope tiếp tục hướng nghiên cứu này bằng cách đưa công nghệ ghi hình thần kinh độ phân giải cao lên một thiết bị đủ nhẹ để động vật di chuyển tự nhiên. Nếu được ứng dụng rộng rãi, công nghệ có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn mối liên hệ giữa hoạt động của tế bào thần kinh và những hành vi phức tạp trong môi trường thực tế.