Bộ não con người từ lâu đã được coi là “thành trì cuối cùng” của khoa học. Với hơn 86 tỷ nơ-ron cùng hàng nghìn tỷ khớp thần kinh, não bộ điều khiển mọi hành vi, cảm xúc, suy nghĩ và ký ức của chúng ta. Việc lập bản đồ và giải mã hoạt động thần kinh không chỉ là thách thức khoa học mà còn là nền tảng cho hàng loạt ứng dụng y học tiên tiến – từ điều trị bệnh thần kinh, phục hồi vận động cho người khuyết tật đến phát triển trí tuệ nhân tạo lấy cảm hứng từ não người.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã sử dụng các đầu dò điện tử cắm vào não để thu tín hiệu điện từ nơ-ron. Các tín hiệu này được ví như “ngôn ngữ” mà não dùng để giao tiếp. Tuy nhiên, hầu hết các đầu dò hiện nay chỉ có cấu trúc hai chiều (2D), chưa thể phản ánh chính xác cách nơ-ron kết nối trong không gian ba chiều (3D). Điều đó khiến dữ liệu thu được thiếu chiều sâu, làm hạn chế độ chính xác trong lập bản đồ thần kinh.

Để khắc phục hạn chế, các nhà khoa học Mỹ đã phát triển công nghệ ROSE (Rolling of Soft Electronics) – một phương pháp cuộn các thiết bị điện tử mềm phẳng thành dạng hình trụ 3D. Công nghệ này mở ra cách tiếp cận mới, vừa chính xác hơn trong việc ghi tín hiệu thần kinh, vừa ít gây tổn thương cho mô não.

Công nghệ ROSE: Cuộn điện tử mềm thành “bánh cuốn thần kinh”

Ý tưởng từ chiếc bánh Swiss Roll

Giáo sư Hui Fang (Dartmouth College), tác giả chính của công trình, mô tả ROSE giống như cách làm bánh Swiss roll – một loại bánh cuộn có lớp kem bên trong. Thay vì chỉ đặt một điện cực ở đầu mũi nhọn như trong đầu dò silicon truyền thống, công nghệ này cho phép cuộn các mạch điện tử mềm thành ống trụ.

Trên ống này, hàng trăm điện cực nhỏ như những “gai” mảnh được bố trí dọc theo chiều dài, giúp ghi lại tín hiệu thần kinh ở nhiều độ sâu khác nhau trong não. Nhờ vậy, dữ liệu thu được không còn “phiến diện” như trước mà mang tính ba chiều toàn diện hơn.

Ưu điểm vượt trội so với đầu dò silicon

Đa chiều hơn: Thay vì chỉ ghi được tín hiệu từ một vài nơ-ron trên cùng mặt phẳng, ROSE thu nhận dữ liệu từ nhiều lớp tế bào ở các độ sâu khác nhau.

Ít gây tổn thương: Vật liệu mềm, linh hoạt, hạn chế việc gây áp lực và tổn thương mô não như các đầu dò silicon cứng.

Giảm phản ứng viêm: Mô não ít bị kích ứng, giúp kéo dài thời gian cấy ghép.

Thu được tín hiệu chi tiết hơn: Đầu dò 3D phản ánh đúng cấu trúc mạng nơ-ron phức tạp.

Thử nghiệm trên động vật: Lập bản đồ thần kinh 3D chính xác hơn

Nhóm nghiên cứu từ Dartmouth College, Đại học Pittsburgh và Đại học Bang Oklahoma đã tiến hành thử nghiệm trên chuột và chuột cống.

Kết quả cho thấy:

ROSE ghi lại tín hiệu đa lớp nơ-ron với độ chính xác cao.

Bản đồ thần kinh tạo ra chi tiết và giàu thông tin hơn so với các thiết bị 2D.

Động vật thử nghiệm ít bị tổn thương mô và phản ứng viêm hơn khi dùng ROSE.

Điều này chứng minh công nghệ có thể trở thành công cụ mạnh mẽ trong việc nghiên cứu não bộ, từ việc giải mã cơ chế học tập – ghi nhớ đến hiểu rõ các bệnh lý thần kinh.

Ứng dụng tiềm năng trong y học và công nghệ

Công nghệ ROSE không chỉ dừng ở nghiên cứu cơ bản mà còn mở ra nhiều triển vọng trong thực tế:

Nghiên cứu thần kinh cơ bản

Giúp các nhà khoa học lập bản đồ chính xác hơn về kết nối thần kinh.

Hỗ trợ giải mã cách não xử lý thông tin, ra quyết định, lưu trữ ký ức.

Là nền tảng cho các dự án “Human Brain Project” hoặc “BRAIN Initiative” nhằm tái hiện bản đồ toàn bộ não người.

Y học tái tạo và phục hồi

Chi giả điều khiển bằng não: Tín hiệu thần kinh có thể được giải mã chính xác hơn để điều khiển chi giả mượt mà, tự nhiên.

Mắt sinh học: Ghi và truyền tín hiệu từ não đến thiết bị thị giác nhân tạo, giúp người mù hoặc suy giảm thị lực có thể nhìn thấy trở lại.

Điều trị bệnh thần kinh: Theo dõi hoạt động não của bệnh nhân Parkinson, động kinh hoặc Alzheimer để đưa ra liệu pháp chính xác hơn.

Giao diện não – máy tính (Brain–Computer Interface, BCI)

ROSE có thể trở thành công nghệ nền tảng cho BCI, nơi con người điều khiển máy tính, robot hoặc thiết bị điện tử bằng ý nghĩ.

Đây là lĩnh vực mà các tập đoàn như Neuralink (Elon Musk) hay Synchron đang đầu tư mạnh.

Những thách thức còn tồn tại

Dù tiềm năng to lớn, ROSE vẫn đối diện với nhiều thách thức trước khi ứng dụng rộng rãi:

Độ bền lâu dài: Cần cải thiện khả năng tương thích sinh học để đầu dò có thể hoạt động trong não hàng tháng, thậm chí hàng năm mà không bị thoái hóa.

Thu nhỏ kích thước: Mặc dù đã mềm và linh hoạt, thiết bị vẫn cần tối ưu để giảm kích thước và dễ dàng cấy ghép.

Chi phí sản xuất: Công nghệ điện tử mềm cuộn 3D đòi hỏi quy trình chế tạo tinh vi, cần được hạ giá thành để thương mại hóa.

Đạo đức & quyền riêng tư: Việc ghi và giải mã tín hiệu não đặt ra nhiều câu hỏi về kiểm soát dữ liệu thần kinh – một trong những loại dữ liệu nhạy cảm nhất.

Ý nghĩa khoa học và xã hội

ROSE không chỉ là một công nghệ mới, mà còn mang ý nghĩa mở đường cho khoa học thần kinh 3D. Nếu như bản đồ gen người (Human Genome Project) đã giúp y học cá nhân hóa, thì bản đồ não chính xác có thể dẫn đến “thời đại vàng” của y học thần kinh:

Hiểu rõ căn nguyên bệnh thần kinh.

Tạo ra giao diện não – máy trực tiếp, giúp con người mở rộng khả năng tự nhiên.

Mang lại hy vọng cho hàng triệu bệnh nhân mất vận động, suy giảm trí nhớ, thị lực.

Về mặt xã hội, công nghệ này có thể thay đổi cách chúng ta tương tác với công nghệ – từ việc điều khiển máy móc bằng ý nghĩ, học tập nhanh hơn, đến việc mở rộng tiềm năng trí tuệ con người.

Bước tiếp theo

Theo Giáo sư Hui Fang, nhóm sẽ tập trung vào:

Cải thiện khả năng tương thích lâu dài để đầu dò có thể dùng cho nghiên cứu mãn tính.

Hợp tác với các phòng thí nghiệm y sinh để thử nghiệm trên mô hình động vật cao hơn.

Tìm kiếm giải pháp sản xuất quy mô lớn để đưa ROSE từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng lâm sàng.

Nếu thành công, trong vài thập kỷ tới, chúng ta có thể chứng kiến một kỷ nguyên mới: não bộ được giải mã toàn diện, y học thần kinh chính xác và giao diện não – máy trở thành hiện thực.

ROSE – công nghệ cuộn điện tử mềm thành cấu trúc 3D – là một bước đột phá quan trọng trong nghiên cứu thần kinh. Với khả năng ghi lại tín hiệu chi tiết, giảm tổn thương não và mở ra nhiều ứng dụng y học, ROSE được kỳ vọng sẽ thay đổi cách chúng ta hiểu và tương tác với bộ não con người.

Cũng giống như bản đồ gen đã làm cách mạng hóa y học thế kỷ 21, bản đồ nơ-ron chính xác nhờ công nghệ như ROSE có thể đưa nhân loại tiến gần hơn tới việc giải mã “chiếc máy tính sinh học” phức tạp nhất trong vũ trụ: bộ não con người.

Nguồn: Tổng hợp