Suốt thời gian qua, thiết bị cấy ghép này đã cho phép anh điều khiển máy tính và chân tay giả chỉ bằng trí óc.
Nathan Copeland đôi khi nghĩ mình là một người máy.
Người đàn ông 36 tuổi này đã sống với một giao diện não-máy tính trong hơn bảy năm ba tháng, tính đến ngày 17/8/2022. Và đó cũng là thời gian dài nhất mà một con người đã sở hữu bộ phận cấy ghép như thế này. Đó là một mảng điện cực có kích thước bằng cục tẩy bút chì, được phẫu thuật để lắp vào vỏ não vận động của Copeland, chuyển các xung thần kinh thành các lệnh cho phép anh điều khiển các thiết bị bên ngoài như máy tính, trò chơi điện tử và cánh tay robot chỉ bằng suy nghĩ của mình.
Quay lai quá khứ thì một vụ tai nạn xe hơi năm 2004 đã khiến Copeland bị liệt từ ngực trở xuống, không thể cử động hay cảm nhận được tay chân của mình. Năm 2014, anh tham gia một nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh dành cho những người bị chấn thương tủy sống để xem liệu giao diện não-máy tính (Brain-Computer Interface - hay BCI), có thể khôi phục một số chức năng mà anh đã mất hay không. Anh đã không ngần ngại đăng ký, mặc dù việc đó sẽ yêu cầu phẫu thuật não, và khi đó không ai biết thiết bị sẽ hoạt động được trong bao lâu.
"Khi bắt đầu, họ nói: "Ồ, nó có thể sẽ kéo dài 5 năm". Trên thực tế con số 5 năm đó dựa trên dữ liệu về khỉ, bởi vì chưa có con người nào làm điều đó", anh nói.
Bộ phận cấy ghép của Copeland vẫn đang hoạt động - và không gây ra bất kỳ tác dụng phụ hoặc biến chứng lớn nào - mang lại triển vọng cho lĩnh vực này. Đó là một dấu hiệu cho thấy các thiết bị này, đã được phát triển từ những năm 1960 nhưng vẫn còn đang thử nghiệm, đang tiến gần hơn đến việc triển khai phiên bản thương mại cho những bệnh nhân khuyết tật nặng. Jane Huggins, giám đốc Phòng thí nghiệm giao diện não của Đại học Michigan, người không liên kết với nghiên cứu Pittsburgh, cho biết: "Có vẻ như nó đang ở ranh giới của việc đi vào thực tế."
Nhưng các câu hỏi vẫn còn đó, chủ yếu về độ bền lâu dài của các mảng được cấy ghép. Không ai rõ hiệu suất của chúng sẽ bị xói mòn như thế nào theo thời gian và liệu chúng có thể được nâng cấp hay không. "Thật là điên rồ nếu được phục hồi chức năng trong nhiều năm, rồi lại mất đi. Và đó luôn là mối quan tâm với các thiết bị cấy ghép khi sử dụng như một yêu cầu dịch vụ", Huggins nói.
Copeland nhận được mảng thiết bị đầu tiên của mình vào năm 2015 và sau đó đã nhận được thêm ba chiếc nữa trong một phần của nghiên cứu, mang lại cho anh ấy tổng cộng bốn bộ phận cấy ghép đang hoạt động. Được gọi là mảng Utah, chúng được làm bằng silicon cứng và trông hơi giống phần lông của bàn chải tóc. Một mảng tiêu chuẩn là một lưới hình vuông với 100 kim nhỏ, mỗi kim dài khoảng một mm và được phủ một lớp kim loại dẫn điện. Bởi vì các tế bào thần kinh tạo ra điện trường khi chúng giao tiếp với nhau, các nhà khoa học có thể sử dụng các mảng này để nắm bắt và ghi lại hoạt động từ hàng trăm tế bào thần kinh gần đó.
Để xây dựng giao diện não-máy tính, các nhà nghiên cứu phải dịch các tín hiệu thần kinh đó thành các lệnh kỹ thuật số cho phép người đeo điều khiển chân tay giả hoặc máy tính. Hệ thống mà Copeland sử dụng, được gọi là BrainGate, bao gồm một mảng được cấy ghép, một dây cáp chạy từ một cái bệ có kích thước bằng một viên pin nhỏ trên đầu đến một thiết bị bên ngoài giúp khuếch đại tín hiệu thần kinh của anh và một máy tính chạy phần mềm để giải mã những tín hiệu đó.
Richard Normann, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Utah, là người đầu tiên định hình mảng Utah vào những năm 1980 khi ông đang tìm cách phục hồi thị lực. Kể từ đó, nó trở thành tiêu chuẩn vàng cho các nghiên cứu giao diện não-máy tính.
"Toàn bộ lĩnh vực này được xây dựng trên mảng Utah", Matt Angle, Giám đốc điều hành của Paradromics, một công ty BCI có trụ sở tại Texas, cho biết. "Thực tế là chúng tôi đã đi quá lâu trên một thiết bị được thiết kế vào những năm 80 và 90, từ đó bạn có thể hiểu mức độ đi trước thời đại của nó".
Năm 2004, Matt Nagle trở thành người bại liệt đầu tiên được cấy ghép mảng Utah. Nó cho phép ông di chuyển con trỏ máy tính, vận hành TV, kiểm tra email và đóng mở bàn tay giả. Bộ phận cấy ghép của Nagle đã được lấy ra sau một năm, theo quy trình của nghiên cứu mà ông tham gia. Hiện có hơn 30 người tham gia nghiên cứu trên khắp thế giới đang đeo BCI được cấy ghép. Ian Burkhart trước đây là người giữ kỷ lục cấy ghép BCI lâu nhất, cho đến khi ông gỡ bỏ nó vào năm 2021 khi nghiên cứu liên quan kết thúc.
Với rất ít người được trang bị những thiết bị này, nên tuổi thọ của chúng vẫn chưa được biết rõ. Cho đến nay, mảng Utah đã hoạt động kéo dài tới 10 năm trên loài khỉ. Trong trường hợp của Copeland, các mảng của anh ấy vẫn hoạt động, nhưng không tốt như trong khoảng năm đầu tiên sau khi được cấy ghép, theo Robert Gaunt, kỹ sư y sinh tại Đại học Pittsburgh và là thành viên nhóm nghiên cứu của Copeland.
"Cơ thể là một nơi rất khó để đưa các thiết bị điện tử và các hệ thống đã được chế tạo vào", Gaunt nói. "Đó là một môi trường hung hãn, và cơ thể luôn cố gắng loại bỏ những thứ này".
Các mảng được cấy ghép có thể kích thích phản ứng miễn dịch trong mô thần kinh bao quanh các điện cực, chính là các đầu dò nhọn bám vào não. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tình trạng viêm này có thể dẫn đến giảm chất lượng tín hiệu. Và mô sẹo có thể hình thành xung quanh các mô cấy ghép não, điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng nhận tín hiệu từ các tế bào thần kinh gần đó. Khi có càng ít thông tin mà BCI có thể giải thích từ các tế bào thần kinh, thì nó càng kém hiệu quả trong việc thực hiện các chức năng như dự định.
Một cách mà các nhà khoa học đang cố gắng làm cho việc cấy ghép tồn tại lâu hơn là thử nghiệm với các loại vật liệu khác nhau. Mảng Utah được cách nhiệt bằng parylene, một lớp phủ polyme bảo vệ được sử dụng trong ngành thiết bị y tế vì tính ổn định và khả năng thấm ẩm thấp. Nhưng nó có thể bị ăn mòn và nứt theo thời gian, và các vật liệu khác có thể được chứng minh là bền hơn.
Florian Solzbacher, đồng sáng lập và chủ tịch của Blackrock Neurotech, công ty sản xuất mảng Utah, cho biết công ty đang thử nghiệm một loại vật liệu được phủ bằng sự kết hợp của parylene và silicon carbide. Ông nói: "Chúng tôi đã thấy thời gian tồn tại của chúng có thể lên tới 30 năm và chúng tôi đã có một số dữ liệu sơ bộ trên động vật. Nhưng công ty vẫn chưa cấy nó vào người, vì vậy thử nghiệm thực sự sẽ là cách mô người phản ứng với công thức vật liệu mới".
Làm cho các điện cực linh hoạt hơn cũng có thể là giải pháp giúp giảm sẹo. Công ty Paradromics của Angle đang phát triển một mô cấy tương tự như mảng Utah, nhưng với các điện cực mỏng hơn nhằm mục đích ít gây xáo trộn hơn cho mô.
Một số nhà nghiên cứu đang thử các vật liệu mềm hơn, để chúng có thể tích hợp vào não tốt hơn so với các mảng Utah cứng nhắc. Một nhóm tại Viện Công nghệ Massachusetts đang thử nghiệm với các lớp phủ hydrogel được thiết kế để có độ đàn hồi rất giống với bộ não. Các nhà khoa học tại Đại học Pennsylvania cũng đang phát triển các điện cực "sống", với các vi sợi nhỏ như lông được tạo ra từ các tế bào thần kinh và sợi thần kinh phát triển từ tế bào gốc.
Nhưng những cách tiếp cận này cũng có mặt trái. "Bạn có thể biến một thứ cứng nhắc thành một thứ mềm mại. Nhưng nếu bạn đang cố gắng đặt một thứ rất mềm vào một thứ cũng mềm khác, thì điều đó rất khó", Gaunt nói.
Một cách tiếp cận khác là làm cho các mô cấy nhỏ hơn, và do đó ít tạo ra sự xâm lấn hơn. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các hạt nơ-ron, những con chip nhỏ có kích thước bằng một hạt cát, theo giả thuyết có thể rắc khắp bề mặt vỏ não. Nhưng chưa ai thử phân tán chúng trên não người và hệ thống này chỉ mới được thử nghiệm trên các loài gặm nhấm đã bị cắt bỏ hộp sọ.
Một số người tham gia nghiên cứu đã được lấy ra và thay thế các mảng Utah của họ, nhưng tiến hành nhiều cuộc phẫu thuật không phải là điều lý tưởng. Vì mỗi cuộc phẫu thuật đều có nguy cơ nhiễm trùng hoặc chảy máu tại vị trí cấy ghép. Gaunt nói rằng các bác sĩ phẫu thuật có thể sẽ không đặt một bộ phận cấy ghép mới vào cùng một vị trí với một bộ phận cũ, đặc biệt nếu có sẹo ở khu vực đó. Nhưng việc đảm bảo rằng vật thay thế được đặt đúng chỗ lại là một vấn đề cần lưu tâm, vì cấy ghép không đúng vị trí có thể gây suy giảm khả năng nhận thức và giao tiếp.
Gaunt cho biết sẽ tốt hơn nếu các thành phần BCI bên ngoài - chẳng hạn như bộ xử lý hoặc phần mềm - có thể nâng cấp được, để bệnh nhân không phải trải qua nhiều cuộc phẫu thuật.
Nhưng trên thực tế, một phần bên ngoài của hầu hết các hệ thống BCI mới thực sự là một trong những rủi ro lớn nhất đối với việc cấy ghép não. Bởi dù các bệ đặt trên đỉnh hộp sọ có xu hướng gây nhiễm trùng, nhưng sự hiện diện của nó là cần thiết để kết nối mảng được cấy ghép với máy tính bên ngoài. Hiện tại, Copeland và những người tham gia nghiên cứu khác phải cắm dây vào hệ thống thông qua bệ đỡ đầu để sử dụng BCI của họ. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng làm việc để loại bỏ các dây cáp này.
Đối với Copeland, đó là một sự khó chịu nhẹ để đổi lấy những điều anh có thể làm với BCI của mình. Mặc dù vậy, anh hy vọng các hệ thống trong tương lai sẽ không dây và cung cấp cho những người bị liệt một phạm vi hoạt động hoặc khả năng rộng hơn.
Với những ẩn số về tuổi thọ của BCI, Copeland biết rằng thiết bị cấy ghép của mình có thể sẽ ngừng hoạt động vào một ngày nào đó. Nhưng anh ấy đang cố gắng không lo lắng về điều đó và cũng sẽ không từ chối việc nâng cấp. "Trong 5 hoặc 10 năm nữa, nếu có thứ gì đó có thể cải thiện đáng kể, tôi sẽ làm lại cuộc phẫu thuật và tiếp tục tiến về phía trước", anh cho biết.