Đột phá giao diện não - máy tính: Trung Quốc tạo ra điện cực mềm như mô não, hoạt động ổn định

Trong các thử nghiệm trên động vật, một thiết bị cấy ghép não linh hoạt mới đã ghi lại thành công hoạt động thần kinh với độ rõ nét lâu dài chưa từng có và vẫn hoạt động an toàn bên trong cơ thể trong 18 tháng. Ảnh: Shutterstock.

Trong các thử nghiệm trên động vật, thiết bị cấy ghép linh hoạt này ghi nhận hoạt động thần kinh với độ rõ nét chưa từng có trong thời gian dài, đồng thời duy trì hoạt động an toàn trong cơ thể suốt 18 tháng mà gần như không suy giảm hiệu suất.

Thành tựu mới được xem là bước tiến quan trọng trong việc giải quyết một trong những trở ngại lớn nhất từng kìm hãm sự phát triển của công nghệ giao diện não - máy tính (Brain-Computer Interface - BCI).

Các giao diện cấy ghép xâm lấn hiện nay có khả năng thu nhận tín hiệu thần kinh rõ ràng và giàu dữ liệu nhất. Tuy nhiên, chúng luôn phải đối mặt với một vấn đề cố hữu: sự khác biệt quá lớn về đặc tính cơ học giữa điện cực và mô não mềm.

Các mảng điện cực vỏ não đang được sử dụng phổ biến hiện nay thường được chế tạo từ bạch kim hoặc hợp kim bạch kim - iridi. Dù có khả năng dẫn điện rất tốt, chúng lại cứng hơn nhiều lần so với mô thần kinh.

Khi được cấy ghép lâu dài, sự ma sát giữa vật liệu cứng và mô mềm tạo ra các dịch chuyển vi mô liên tục, gây viêm mãn tính và dần hình thành mô sẹo bao quanh điện cực. Hệ quả là chất lượng tín hiệu thần kinh suy giảm theo thời gian.

Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu do ông Xu Xiaomin tại Trường Sau đại học Quốc tế Thâm Quyến thuộc Tsinghua University dẫn đầu, phối hợp với ôngTakao Someya của University of Tokyo và ông Li Xiaojian thuộc Shenzhen-Hong Kong Institute of Brain Science, đã phát triển một loại vật liệu mới kết hợp được khả năng dẫn điện ở cấp độ kim loại với độ mềm tương đương mô sinh học.

Thông qua quy trình vi chế tạo được thiết kế riêng, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên chế tạo thành công một giao diện thần kinh hữu cơ mật độ cao hoàn toàn từ vật liệu này, hướng tới khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học bình duyệt của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ngày 28/4 và được tờ Nhật báo Khoa học đưa tin hôm thứ Tư vừa qua.

Vật liệu mới lập kỷ lục về khả năng dẫn điện

Loại vật liệu mới được đặt tên là Conductive Hydrogel with Interfacial Percolation (Chip).

Theo nhóm nghiên cứu, Chip đạt độ dẫn điện lên tới 2.512 Siemens/cm, mức cao nhất từng được ghi nhận đối với vật liệu hydrogel. Điều này cho phép truyền tải chính xác các tín hiệu thần kinh cực yếu.

Tuy nhiên, dẫn điện tốt mới chỉ giải quyết một nửa bài toán.

Các hydrogel truyền thống thường bị trương nở khi hấp thụ dịch cơ thể, làm biến dạng cấu trúc vi điện cực và thay đổi khoảng cách giữa các kênh tín hiệu. Điều này gây khó khăn lớn cho việc thu nhỏ kích thước và tăng mật độ tích hợp.

Để vượt qua hạn chế đó, các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp khắc vi cấu trúc mới. Họ cố định hydrogel lên nền parylene cứng nhằm hạn chế sự giãn nở theo chiều ngang, sau đó thực hiện quy trình quang khắc chính xác cao khi vật liệu vẫn ở trạng thái khô.

Nhờ vậy, cấu trúc của hydrogel được bảo toàn trong toàn bộ quá trình chế tạo.

Bằng công nghệ này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra mảng điện cực điện não đồ vỏ não (ECoG) gồm 128 kênh, chỉ dày 9 micromet, với mật độ lên tới 853 kênh trên mỗi cm² — cao gấp hơn 10 lần so với các thiết kế hydrogel thuần túy trước đây.

Hoạt động ổn định suốt 550 ngày

Ngoài hiệu năng vượt trội, điện cực mới còn cho thấy mức độ an toàn và tương thích sinh học rất cao.

Vật liệu Chip duy trì đặc tính điện gần như không đổi, với mức biến thiên dưới 4%, sau khi trải qua 1.000 chu kỳ kéo giãn ở mức 30% — tương đương ngưỡng biến dạng tối đa mà mô não có thể chịu đựng.

Khi các nhà khoa học gắn mảng ECoG lên mô não lợn tươi trong phòng thí nghiệm, thiết bị ôm sát bề mặt mô một cách nhẹ nhàng và có thể bóc tách mà không gây tổn thương, cho thấy khả năng bám dính sinh học rất tốt.

Để đánh giá độ bền lâu dài, nhóm nghiên cứu đã cấy các mảng ECoG sử dụng vật liệu Chip vào não của 5 con thỏ.

Trong hơn 550 ngày theo dõi trên các cá thể vận động tự do, hệ thống liên tục ghi nhận được tín hiệu thần kinh ổn định. Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio) luôn duy trì ở mức trên 94% so với thời điểm ban đầu trong toàn bộ quá trình thử nghiệm.

Các phân tích mô học sau 16 tuần cũng cho thấy phản ứng viêm ở mức tối thiểu, xác nhận tính tương thích sinh học lâu dài của hệ thống.

Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp mới có thể mở rộng ứng dụng của các hydrogel chức năng trong nhiều hệ thống điện tử sinh học khác nhau, mở đường cho thế hệ giao diện thần kinh an toàn hơn, bền hơn và đưa con người tiến gần hơn tới mục tiêu kết nối liền mạch giữa não bộ và máy móc.

Theo SCMP

Huyền Chi