Ba cánh cửa của điện cực giao tiếp não-máy

Thực tập sinh phóng viên Yìn Jìngfēi

Một điện cực đang trở thành “Điện Biên Phủ” của ngành giao diện não-máy tính. Khi bên ngoài nhiệt tình so sánh số kênh truyền tải, kích thước chip, thì một vấn đề nền tảng hơn vẫn còn bỏ ngỏ: chiếc thứ này cắm vào não được bao lâu? Trước cả câu hỏi “sử dụng được bao lâu”, còn có một vấn đề tiền đề hơn nữa: nó nên làm bằng chất liệu gì? Trong phương pháp xâm lấn, sau khi mở sọ, làm thế nào để thu thập dữ liệu, cần đi vào sâu bao nhiêu? Ngành đang tích cực thảo luận và tìm kiếm giải pháp.

Khó khăn về độ cứng: vật liệu nhất định phải mềm

“Não mềm như đậu phụ, còn các probe làm bằng kim loại truyền thống hoặc silicon thì đặc biệt cứng, khi chọc vào sẽ cắt rách mô não ở vi mô, và theo nhịp thở sẽ di chuyển, không thể theo dõi tín hiệu ổn định. Hơn nữa, vật liệu cứng sẽ gây phản ứng miễn dịch, dẫn đến tử vong của tế bào thần kinh tại vị trí cấy ghép, và tín hiệu rõ ràng ban đầu sẽ cuối cùng biến mất.” Một người trong ngành nói với báo Securities Times.

“Vật liệu nhất định phải mềm” đã trở thành thống nhất trong ngành. Xung quanh vấn đề này, hai hướng công nghệ bắt đầu phân hóa: một là tìm kiếm vật liệu mềm hoàn toàn mới, còn hướng kia là tối ưu hóa kỹ thuật các vật liệu chủ đạo đã có.

Nhóm của Liu Jia chọn trực tiếp nghiên cứu phát triển vật liệu mới vốn đã mềm dẻo và bền chắc — cao su perfluor elastomer. Loại vật liệu này vừa giống cao su có tính đàn hồi, lại có khả năng chống ăn mòn bởi dịch thể. Năm 2021, Liu Jia cùng các cộng sự thành lập Axoft, sản phẩm của họ được FDA công nhận là thiết bị đột phá. Vì vật liệu này cùng loại elastomer với não, trong quá trình hô hấp và các hoạt động sinh lý khác sẽ không gây ra dịch chuyển tương đối, từ đó giải quyết nguyên lý vấn đề trôi lệch điện cực và phản ứng miễn dịch.

Tuy nhiên, đây không phải là con đường duy nhất. “Hiện nay, các điện cực mềm xâm lấn chủ đạo trong nước và quốc tế, bao gồm Neuralink, Jiētī Yīliáo, phần lớn đều dùng vật liệu polyimide, bằng cách giảm độ cứng uốn cong để đạt được ‘độ mềm vật lý’.” Liu Xiaojun, trưởng dự án Giao diện não-máy của Viện Công nghệ Tương lai Trường Giang, Đại học Bắc Kinh, nói với báo Securities Times, đây là kết quả đã qua hàng chục năm thử nghiệm trong phòng thí nghiệm — vật liệu có khả năng tương thích sinh học, dẫn điện tốt, chuỗi cung ứng đã trưởng thành, chi phí kiểm soát được.

Polyimide cũng không phải là câu trả lời cuối cùng. Giám đốc thị trường của Shenzhen Weiling Medical, Li Jianfu, thừa nhận rằng, công nghệ hiện tại có thể duy trì hiệu quả khoảng hai đến ba năm, để đạt được chức năng trọn đời, vẫn cần thay thế vật liệu trong não.

Về hướng polyimide, các công ty đều đang khám phá về quy trình và cấu trúc. Zhiran Medical đã phát triển điện cực mềm có thể kéo dài, thông qua giải phóng ứng suất để điện cực có thể theo nhịp vận động của tổ chức não. Jiētī Yīliáo thì làm điện cực có kích thước tế bào — độ dày chỉ 1 micromet, diện tích cắt ngang tương đương sợi tóc. Nhóm của Liu Xiaojun sáng tạo ra cấu trúc “Swiss roll” — cuộn màng mỏng linh hoạt hai chiều thành dạng kim, có thể tích hợp 1024 kênh trên một chiếc kim, cân bằng giữa khả năng truyền tải cao và độ ổn định lâu dài.

Phân định con đường: “Chọc vào trong” hay “Dán lên”

Ngoài tranh luận về vật liệu, còn có sự khác biệt căn bản về con đường phát triển: điện cực nên “chọc vào trong” hay “dán lên trên”?

“Neuralink sử dụng điện cực sâu, giống như sợi tóc, chọc vào vỏ não.” Nhà sáng lập kiêm nhà khoa học trưởng của Brain虎 Technology, Tao Hu, nói với báo Securities Times, phương pháp dán lên bề mặt vỏ não của Brain虎 là dán điện cực dạng màng mỏng lên bề mặt vỏ não. Điện cực sâu gặp hai vấn đề lớn: phản ứng miễn dịch làm giảm tín hiệu, và nguy cơ tổn thương do dao động của điện cực. “Chúng tôi nhất định phải lấy an toàn của bệnh nhân làm trung tâm.”

Shenzhen Weiling Medical đi xa hơn nữa. Điện cực vỏ não mật độ cao do họ tự phát triển chỉ dày 10 micromet, có thể dán như màng mỏng lên bề mặt vỏ não gồ ghề, không đều. “Sau khi cắm vào, phần vỏ não đó gần như bị hỏng hoàn toàn. Điều này có nghĩa là nếu điện cực gặp vấn đề, không thể thay thế cho bệnh nhân.” Li Jianfu nhấn mạnh, từ góc độ đạo đức y học, điều trị không thể gây tổn thương thứ phát cho bệnh nhân, đó là giới hạn. Loại điện cực “dán lên” này có thể dễ dàng tháo ra bằng nước muối, không gây tổn thương mô não.

Từ đó, theo quan điểm của Li Jianfu, ngành đã phân hóa thành hai hướng giá trị: một là “đội ngũ y tế”, mục tiêu là tái tạo và thay thế chức năng thần kinh; còn hướng kia là “công nghệ”, theo mô phỏng con đường Neuralink, lấy trình diễn con trỏ điều khiển não, điều khiển xe lăn làm điểm nhấn. Ông không phủ nhận độ khó kỹ thuật của phía công nghệ, nhưng cho rằng giá trị lâm sàng của nó bị thổi phồng quá mức.

Câu hỏi về rủi ro: từ lâm sàng đến phổ biến còn một chặng đường dài

“Ít nhất về mặt phần cứng, công nghệ vật liệu của điện cực nội địa đã bắt kịp trình độ tiên tiến quốc tế.” Liu Xiaojun nói.

Tuy nhiên, “vi mạch cuối cùng”, lại bị mắc kẹt ở một chỗ khác.

“Điểm mấu chốt hiện nay là, khả năng duy trì ổn định lâu dài của tín hiệu từ một neuron đơn lẻ có thể được đảm bảo hay không.” Liu Xiaojun thẳng thắn, vấn đề không nằm ở khả năng điện học của điện cực, mà là sau khi cấy vào não, liệu nó có thể liên tục, ổn định trong nhiều tháng, nhiều năm để “nghe” được hoạt động của từng neuron hay không. “Hiện tại, mọi người đã xác nhận khả năng ổn định lâu dài của điện cực trên động vật, nhưng chưa có xác nhận trên người.”

Đây là một khoảng cách lớn. Thử nghiệm trên động vật có thể kéo dài hai năm, dữ liệu rất đẹp, nhưng môi trường vi mô của não người phức tạp hơn nhiều, phản ứng miễn dịch, sẹo mô thần kinh — những yếu tố khó có thể tái tạo hoàn toàn trên động vật, có thể theo thời gian sẽ làm tín hiệu trở nên mờ nhạt. “Vấn đề khó ở chỗ, phải qua một thời gian đủ dài để quan sát, rồi dựa trên kết quả đó để suy luận cách cải tiến vật liệu, thiết kế và kỹ thuật phẫu thuật liên tục như thế nào.” Liu Xiaojun nói.

Về việc ngành đã đủ điều kiện để mở rộng quy mô hay chưa, các chuyên gia được phỏng vấn đều nhất trí: “Chưa chín muồi.” Hầu hết các thử nghiệm lâm sàng của doanh nghiệp trong nước dự kiến bắt đầu sau năm 2025. Là thiết bị y tế loại III có rủi ro cao, từ xác nhận lâm sàng đến phê duyệt đưa ra thị trường, rồi mở rộng quy mô, còn một chặng đường dài.

Li Jianfu đặc biệt làm rõ những hiểu lầm về phẫu thuật của bên ngoài. “Không phải như Elon Musk khoe khoang, cấy vào hôm nay, ngày mai đã có thể nhảy nhót vui vẻ.” Người bệnh thích nghi với việc có một “dị vật” trong cơ thể là một quá trình cực kỳ dài. “Từ góc độ lâm sàng, một năm là yêu cầu tối thiểu.”

Các người được phỏng vấn đều nói: “An toàn lâu dài của nó cần thời gian để kiểm chứng.”

Khó khăn không chỉ nằm ở chính điện cực. “Việc mã hóa, giải mã thần kinh còn đối mặt với ‘khoảng trống nhân lực’ và ‘đảo dữ liệu’ — dữ liệu EEG rất ít được mở nguồn, và sự khác biệt giữa các cá thể rất lớn.” Tao Hu bổ sung, phần cứng chỉ là phần nổi của tảng băng chìm, phía dưới mặt nước còn là các thuật toán, dữ liệu và xác nhận lâm sàng cần phối hợp dài hơi hơn nữa.

“Thời gian sẽ chứng minh ai thành công, ai thất bại.” Liu Xiaojun nói.