Nathan Copeland đôi khi tự cho mình là một người máy.
Người đàn ông 36 tuổi này đã sống với giao diện não-máy tính hơn bảy năm ba tháng, tính đến ngày 17 tháng 8 năm 2022. Và đó cũng là lần lâu nhất con người được cấy ghép như thế này. Đó là một mảng điện cực có kích thước bằng cục tẩy bút chì, được phẫu thuật đưa 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.
Ngược dòng quá khứ, một vụ tai nạn xe hơi năm 2004 khiến Copeland bị liệt từ ngực trở xuống, không thể cử động hay cảm nhận được tứ chi. Năm 2014, anh tham gia một nghiên cứu tại Đại học Pittsburgh cho những người bị chấn thương tủy sống để xem liệu Giao diện Máy tính-Não bộ (BCI), hay BCI, có thể khôi phục một số chức năng không bình thường hay không. anh ta có bị mất hay không. Anh ấy đã không ngần ngại đăng ký, mặc dù nó sẽ phải phẫu thuật não, và sau đó không ai biết thiết bị này sẽ tồn tại được bao lâu.
“Khi họ bắt đầu, họ nói, ‘Ồ, nó có thể sẽ kéo dài năm năm.’ Trên thực tế, con số 5 năm đó dựa trên dữ liệu của loài khỉ, bởi vì chưa có con người nào làm được điều đó “, ông nói. .
Các thiết bị cấy ghép của Copeland vẫn đang hoạt động – và không gây ra bất kỳ tác dụng phụ hoặc biến chứng lớn nào – mang lại hứa hẹn cho lĩnh vực này. Đó là một dấu hiệu cho thấy những thiết bị này, đã được phát triển từ những năm 1960 nhưng vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, đang tiến gần hơn đến việc tung ra 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 bên cạnh tính thực tế.
Nhưng các câu hỏi vẫn còn đó, chủ yếu là về độ bền lâu dài của các mảng được cấy ghép. Không rõ hiệu suất của họ sẽ bị xói mòn theo thời gian như thế nào và liệu họ có thể được nâng cấp hay không. Huggins nói: “Thật là điên rồ khi được phục hồi trong nhiều năm và sau đó mất đi.
Copeland nhận được loạt thiết bị đầu tiên của mình vào năm 2015 và kể từ đó đã nhận thêm ba thiết bị nữa trong quá trình nghiên cứu, mang lại cho anh tổng cộng bốn thiết bị cấy ghép đang hoạt động. Được gọi là mảng Utah, chúng được làm bằng silicone cứng và trông hơi giống lông của bàn chải tóc. 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 đế có kích thước bằng một cục pin nhỏ trên đầu đến một thiết bị bên ngoài để khuếch đại tín hiệu thần kinh. kính của mình và một máy tính chạy phần mềm để giải mã các 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 khôi phục thị lực. Kể từ đó, nó đã trở thành tiêu chuẩn vàng cho các nghiên cứu giao diện não-máy tính.
Matt Angle, Giám đốc điều hành của Paradromics, một công ty BCI có trụ sở tại Texas, cho biết: “Toàn bộ lĩnh vực này được xây dựng trên mảng Utah. “Thực tế là chúng tôi đã đi rất lâu trên một thiết bị được thiết kế vào những năm 80 và 90, bạn có thể thấy nó đi trước thời đại như thế nào.”
Năm 2004, Matt Nagle trở thành người bại liệt đầu tiên được cấy ghép mảng Utah. Nó cho phép anh ta di chuyển con trỏ máy tính, vận hành TV, kiểm tra email và mở và đóng bàn tay giả. Bộ phận cấy ghép của Nagle đã được gỡ bỏ sau một năm, theo quy trình của cuộc nghiên cứu mà anh ấy đã tham gia. Hiện có hơn 30 người tham gia nghiên cứu trên khắp thế giới đang đeo một chiếc BCI được cấy ghép. Ian Burkhart trước đây là người giữ kỷ lục cấy ghép BCI lâu nhất, cho đến khi anh ta lấy nó ra vào năm 2021 khi nghiên cứu liên quan kết thúc.
Với rất ít người được trang bị những thiết bị này, tuổi thọ của chúng vẫn chưa được biết rõ. Cho đến nay, mảng Utah đã hoạt động được tới 10 năm trên loài khỉ. Trong trường hợp của Copeland, các mảng của anh ấy vẫn hoạt động bình thường, nhưng không tốt như trong khoảng năm đầu tiên sau khi cấy ghép, theo Robert Gaunt, một kỹ sư y sinh tại Đại học Pittsburgh và là thành viên nhóm nghiên cứu của nhóm. Copeland.
Gaunt nói: “Cơ thể là nơi rất khó để đưa các thiết bị điện tử và các hệ thống đã xây dựng vào. “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, là những đầu dò có gai 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. BCI càng ít thông tin có thể giải thích từ các nơ-ron, thì BCI càng kém hiệu quả trong việc thực hiện các chức năng 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 kết hợp giữa parylene và silicon carbide. Ông nói: “Chúng tôi đã thấy tuổi thọ của chúng có thể lên đến 30 năm và chúng tôi đã có một số dữ liệu sơ bộ về động vật. Ông nói: “Nhưng công ty vẫn chưa cấy nó vào người, vì vậy thử nghiệm là có thật. Đó 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 để 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 những vật liệu mềm hơn, để chúng có thể tích hợp vào não tốt hơn những miếng dán Utah cứng nhắc. Một nhóm nghiên cứu 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 sợi siêu nhỏ có lông được tạo ra từ các tế bào thần kinh và các sợi thần kinh phát triển từ tế bào gốc.
Nhưng những cách tiếp cận này cũng có một mặt trái. “Bạn có thể biến một thứ cứng nhắc thành một thứ gì đó mềm mại. Nhưng nếu bạn đang cố gắng đưa một thứ gì đó rất mềm vào một thứ cũng mềm thì rất khó,” Gaunt nói.
Một cách tiếp cận khác là làm cho các mô cấy nhỏ hơn, và do đó ít xâm lấn hơn. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đang thử nghiệm các tế bào thần kinh, những con chip nhỏ có kích thước bằng một hạt cát, theo giả thuyết có thể rắc khắp bề mặt của vỏ não. Nhưng chưa ai cố gắng phân tán chúng trong não người, và hệ thống này mới chỉ được thử nghiệm trên những loài gặm nhấm đã bị cắt bỏ hộp sọ.
Một số người tham gia nghiên cứu đã được gỡ bỏ và thay thế các bản vá lỗi Utah, nhưng việc trải qua nhiều cuộc phẫu thuật không phải là điều lý tưởng. Vì mọi cuộc phẫu thuật đều tiềm ẩn nguy cơ nhiễm trùng hoặc chảy máu tại vị trí cấy ghép. Gaunt cho biết các bác sĩ phẫu thuật có thể sẽ không đặt mô cấy mới vào cùng vị trí với mô cấy cũ, đặc biệt nếu có sẹo ở khu vực đó. Nhưng việc đảm bảo thay thế đúng chỗ là điều cần quan 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, 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 vì mặc dù các nền tảng được 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 một máy tính bên ngoài. Hiện tại, Copeland và những người tham gia nghiên cứu khác phải cắm vào hệ thống thông qua headstand để sử dụng BCI của họ. Các nhà nghiên cứu đang làm việc để loại bỏ những sợi cáp này.
Đối với Copeland, đó là một sự khó chịu nhẹ khi đổi lấy những thứ anh có thể làm với BCI của mình. Mặc dù vậy, ông hy vọng các hệ thống trong tương lai sẽ không dây và cung cấp cho những người bị liệt nhiều hoạt động hoặc khả năng hơn.
Với những điều chưa biết về tuổi thọ của BCI, Copeland biết rằng thiết bị cấy ghép của mình có thể 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 nâng cấp. “Trong 5 hoặc 10 năm nữa, nếu có điều gì đó có thể cải thiện đáng kể, tôi sẽ tiến hành phẫu thuật lại và tiếp tục tiến về phía trước”, anh nói.
Tham khảo có dây
