Cảm biến cấy ghép không dây mở rộng phạm vi nghiên cứu não bộ

Theo một nghiên cứu được tài trợ bởi Viện sức khỏe quốc gia Hoa Kỳ (National Institutes of Health – NIH), một cảm biến nhỏ gọn đã thành công trong việc ghi và phát không dây các dữ liệu về hoạt động của não bộ trong suốt hơn một năm thử nghiệm trên động vật. Ngoài việc cho phép thực hiện các nghiên cứu về não bộ của các đối tượng chuyển động một cách tự nhiên hơn, thiết bị cấy ghép này còn đại diện cho một bước tiến dài đến mục tiêu điều khiển không dây các thiết bị cơ thể giả với tính năng di chuyển theo ý nghĩ.

Cảm biến não bộ cấy không dây (đồng 25 xu của Mỹ đặt bên cạnh để so sánh kích thước)

Chi tiết về bộ cảm biến này được trình bày trong ấn bản tháng 4 năm 2013 của Tạp chí kỹ thuật thần kinh (Journal of Neural Engineering)

“Đối với những người bị liệt hoặc bị phẫu thuật cắt bỏ chân tay, quá trình tập luyện phục hồi chức năng có thể chậm và nản lòng bởi vì họ phải học cách làm mọi việc theo một phương cách mới trong khi tất cả những người bình thường khác có thể làm những việc đấy dễ dàng mà không cần phải động não gì cả”, tiến sỹ Grace Peng, người phụ trách Chương Trình Kỹ Thuật Phục Hồi (Rehabilitation Engineering Program) của Viện Kỹ Thuật Sinh Học và Ảnh Y Sinh Quốc Gia (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering – NIBIB), thuộc Viện Sức Khỏe Quốc Gia Hoa Kỳ cho biết. Ông cũng nói rằng giao tiếp não-máy tính thông qua các khối chức năng của não bộ sẽ giúp tạo ra một  trải nghiệm phục hồi trực quan hơn và do đó tạo ra chất lượng sống tốt hơn cho những người vốn đã gặp nhiều khó khăn.

Các tiến bộ gần đây trong lĩnh vực giao tiếp não-máy tính (BCI) đã cho thấy người ta có thể điều khiển một cánh tay rô bốt thông qua các cảm biến cấy trong não được liên kết với máy tính bên ngoài. Tuy nhiên, các thiết bị đó hoặc sử dụng dây dẫn để kết nối tạo ra nguy cơ nhiễm trùng và hạn chế việc chuyển động, hoặc có kết nối không dây nhưng khả năng tính toán bị hạn chế.

Trên cở sở hướng nghiên cứu này, tiến sỹ David Borton, tiến sỹ Ming Yin thuộc Đại Học Brown (Providence, Rhode Island, Hoa Kỳ) và các đồng nghiệp cho biết là họ đã khắc phục được một số trở ngại chính trong việc phát triển các thiết bị cảm biến của họ. Để được cấy hoàn toàn vào trong não, thiết bị này cần phải có kích thước rất nhỏ và phải được bịt kín toàn bộ để bảo vệ các bộ phận bên trong và các mô bao quanh thiết bị. Đồng thời, bộ cấy ghép này phải đủ mạnh để chuyển đổi các hoạt động điện tinh vi của não bộ thành các tín hiệu số có thể xử lý được bởi máy tính, và rồi khuếch đại những tín hiệu này lên một mức độ đủ lớn để các bộ thu không dây ở một khoảng cách nhất định bên ngoài cơ thể có thể phát hiện ra được. Tương tự như các thiết bị không dây khác, bộ cảm biến này cũng cần được sạc điện nhưng bởi vì nó được cấy bên trong não nên quá trình sạc cũng phải được thực hiện không dây.

Các nhà nghiên cứu, được cố vấn bởi các bác sỹ giải phẫu não về hình dạng và kích thước của cảm biến, đã thiết kế thiết bị cảm biến bằng titan (titanium), loại vật liệu thường dùng trong thay thế khớp xương và các ứng  dụng y khoa khác. Họ cũng đặt trên thiết bị một cửa sổ làm bằng sapphire để cho tín hiệu điện từ xuyên qua dễ hơn nhằm cải thiện chất lượng truyền tín hiệu không dây và sạc điện cảm ứng – một cách thức sạc điện được dùng trong bàn chải răng điện. Ở bên trong, thiết bị cảm biến chứa đầy các linh kiện điện tử được thiết kế để hoạt động ở chế độ tiêu hao năng lượng thấp nhằm giảm lượng nhiệt phát ra và kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị (thiết bị sử dụng điện năng từ pin).

Khi thử nghiệm trên các mẫu động vật gồm hai con lợn và hai con khỉ, các nhà nghiên cứu đã có thể nhận và ghi lại dữ liệu theo thời gian thực từ những cảm biến cấy ghép này qua một kết nối băng rộng không dây. Các cảm biến có thể phát tín hiệu xa hơn 90 cm và hoạt động liên tục trong hơn một năm mà chỉ bị suy giảm chất lượng đôi chút.

Khả năng thu lại từ xa những dữ liệu về hoạt động của não bộ trong lúc con vật tương tác tự nhiên với môi trường quanh nó có thể giúp thu thập thêm thông tin cho các nghiên cứu về điều khiển cơ bắp và mạch não bộ liên quan đến chuyển động, các nhà nghiên cứu cho biết. Trong khi việc thử nghiệm các thiết bị đang có vẫn còn đang tiếp tục, các nhà nghiên cứu dự định sẽ cải tiến bộ cảm biến để có thể quản lý nhiệt và truyền dữ liệu tốt hơn nữa nhằm đưa vào sử dụng trong lĩnh vực chăm sóc y tế cho con người.

“Các ứng dụng y tế có thể bao gồm các bộ phận cơ thể giả điều khiển bằng ý nghĩ  dành cho những bệnh nhân bị suy yếu thần kinh nghiêm trọng, điều khiển không dây cho các xe lăn có động cơ hay các thiết bị hỗ trợ khác và giám sát chẩn đoán trong động kinh khi mà hiện nay các bệnh nhân động kinh phải bị cột vào cạnh giường trong suốt quá trình kiểm tra”, ông Borton nói.

Các đồng tác giả của nghiên cứu này gồm tiến sỹ Juan Aceros và tiến sỹ Arto Nurmikko – đều làm việc ở Đại học Brown.

Ngoài việc được cấp gói nghiên cứu Đối Tác Nghiên Cứu Kỹ Thuật Sinh Học (Bioengineering Research Partnership) bởi NIBIB và Viện quốc gia về sức khỏe trẻ em và phát triển con người Eunice Kennedy Shriver (R01EB007401), các nhà nghiên cứu còn nhận được sự hỗ trợ tài chính từ Quỹ khoa học quốc gia (National Science Foundation) và Cơ quan quảnlý các dự án nghiên cứu tiên tiến cho quốc phòng (Defense Advanced Research Projects Agency).

• Nguyên bản tiếng Anh:  “Wireless, implanted sensor broadens range of brain research”, NIH/National Institute of Biomedical Imaging & Bioengineering,  ScienceDaily, 19/03/2013
• Người dịch: Huỳnh Trọng Anh
• Hiệu chỉnh:  Tạ Minh Chiến, Đinh Thành Việt