Cấy ghép chip não: Giải pháp giúp bệnh nhân bị liệt hoàn toàn có thể giao tiếp bằng suy nghĩ

Thể hiện từng chữ cái một cách cẩn thận, người đàn ông mắc hội chứng khóa trong đã có thể biểu đạt các từ và câu chỉ bằng suy nghĩ của mình.

Các nhà nghiên cứu sử dụng phản hồi thần kinh thính giác để giúp bệnh nhân mắc chứng xơ cứng teo cơ một bên học cách điều khiển hoạt động não của mình. Nguồn: Wyss Center

Quay trở lại năm 2020, Ujwal Chaudhary, một kỹ sư y sinh tại Đại học Tübingen và Trung tâm Kỹ thuật sinh học Thần kinh Wyss ở Geneva nhìn vào màn hình máy tính của mình một cách đầy kinh ngạc, cuối cùng thì thí nghiệm mà anh dành nhiều năm nghiên cứu đã hé lộ ra điều gì đó.

Một người đàn ông 34 tuổi bị liệt, nằm ngửa trong phòng thí nghiệm, đầu được kết nối với máy tính bằng dây cáp. Một giọng nói nhân tạo bỗng phát lên các âm chữ cái bằng tiếng Đức: “E, A, D…”.

Vài năm trước đó bệnh nhân này đã được chẩn đoán mắc phải hội chứng xơ cứng teo cơ một bên (ALS), dẫn đến thoái hóa các tế bào thần kinh vận động. Người này mất khả năng di chuyển thậm chí đối với cả nhãn cầu của mình và hoàn toàn không thể giao tiếp; xét về mặt y học, người ta gọi đây là hội chứng khóa trong.

Trong thí nghiệm của Tiến sĩ Chaudhary, bệnh nhân trên phải học cách lựa chọn (không trực tiếp bằng mắt mà bằng cách tưởng tượng mắt đang chuyển động) các chữ cái riêng lẻ từ những dòng chữ chạy liên tục mà máy tính đọc to; từng chữ cái khó nhọc, mỗi phút một lần để hình thành dần các từ và câu.

“Wegen essen da wird ich erst mal des curry mit kartoffeln haben und dann bologna und dann gefuellte und dann kartoffeln suppe”, bệnh nhân viết rằng: “Tôi muốn món ăn có cà ri với khoai tây sau đó đến bolognese spaghetti và súp khoai tây”.

Tiến sĩ Chaudhary và các cộng sự của mình đã gần như chết lặng. “Ngay cả bản thân tôi cũng không thể tin điều này có thể xảy ra”, ông hồi tưởng lại. Tiến sĩ Chaudhary hiện là giám đốc điều hành tại ALS Voice gGmbH, một công ty công nghệ thần kinh có trụ sở tại Đức.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, mang đến ví dụ đầu tiên về một bệnh nhân ở trạng thái hoàn toàn “bị khóa trong” lại có thể giao tiếp chi tiết với thế giới bên ngoài, Niels Birbaumer, trưởng nhóm nghiên cứu và là nhà khoa học thần kinh tại Đại học Tübingen hiện đã nghỉ hưu cho hay.

Tiến sĩ Chaudhary và Tiến sĩ Birbaumer đã thực hiện hai thí nghiệm tương tự vào năm 2017 và 2019 trên những bệnh nhân có tình trạng tương tự và báo cáo rằng những người này vẫn có thể giao tiếp. Tuy nhiên, cả hai nghiên cứu đều bị thu hồi sau đó sau khi cuộc điều tra của tổ chức tài trợ nghiên cứu Quỹ Nghiên cứu Đức kết luận rằng các nhà nghiên cứu chỉ ghi lại một phần quá trình kiểm tra bệnh nhân của họ trên video, không trình bày chi tiết một cách thích hợp các phân tích của họ và đã đưa ra những tuyên bố sai lệch. Quỹ Nghiên cứu Đức cho rằng Tiến sĩ Birbaumer có hành vi sai trái trong khoa học, đồng thời áp đặt một số biện pháp trừng phạt nghiêm khắc nhất, như là lệnh cấm 5 năm đề xuất các kế hoạch và phục vụ đánh giá cho Quỹ.

Cơ quan này cho rằng Tiến sĩ Chaudhary cũng có hành vi sai trái về mặt khoa học và áp dụng các biện pháp trừng phạt tương tự trong thời hạn ba năm. Cả ông và Tiến sĩ Birbaumer đều bị yêu cầu thu hồi hai bài báo nhưng cả hai đều từ chối.

Tiến sĩ Birbaumer đã đứng ra bảo vệ quan điểm và có hành động pháp lý chống lại Tổ chức Nghiên cứu Đức. Marco Finetti, phát ngôn viên của Quỹ Nghiên cứu Đức, cho biết kết quả của vụ kiện dự kiến sẽ được công bố trong tuần tới. Tiến sĩ Chaudhary hy vọng ông cùng các luật sư của mình sẽ thắng kiện.

Finetti nói rằng Quỹ Nghiên cứu Đức không biết gì về nghiên cứu vừa được công bố và sẽ điều tra trong những tháng tới. Trong một email, một đại diện xin giấu tên của tạp chí Nature Communications đã từ chối đi sâu bình luận chi tiết về việc nghiên cứu đã được hiệu chỉnh như thế nào nhưng bày tỏ sự tin tưởng với quá trình. “Chúng tôi có các chính sách nghiêm ngặt để bảo vệ tính toàn vẹn của nghiên cứu mà chúng tôi công bố, bao gồm cả việc đảm bảo rằng nghiên cứu đã được tiến hành theo tiêu chuẩn đạo đức cao và được báo cáo minh bạch”, người đại diện cho biết.

“Tôi có thể nói rằng đó là một nghiên cứu đáng tin cậy”, Natalie Mrachacz-Kersting, nhà nghiên cứu giao diện máy tính - não tại Đại học Freiburg ở Đức, cho biết.

Nhưng Brendan Allison, nhà nghiên cứu tại Đại học California San Diego lại thể hiện sự dè dặt. Ông nói: “Công trình này giống như các nghiên cứu khác của Birbaumer, cần phải cân nhắc thận trọng vì những gì gì mà ông ấy từng mắc phải”. Tuy vậy, ông vẫn lưu ý rằng trong một bài báo được xuất bản vào năm 2017, nhóm của mình đã mô tả về khả năng giao tiếp với những bệnh nhân hoàn toàn bất động bằng những câu trả lời cơ bản như “có” hoặc “không”.

Các kết quả đó mở ra tiềm năng hứa hẹn cho những bệnh nhân gặp tình trạng tương tự, cả ở trạng trái hôn mê và suy giảm ý thức nặng, cũng như số lượng người được chẩn đoán mắc ALS trên toàn thế giới. Con số đó được dự đoán sẽ chạm ngưỡng 300.000 vào năm 2040.

Steven Laureys, nhà nghiên cứu thần kinh học, người dẫn đầu Coma Science Group tại Đại học Liège ở Bỉ cho biết: “Đó là thứ sẽ hoàn toàn thay đổi cuộc chơi”. Công nghệ này có thể tạo ra những thay đổi về vấn đề nhận thức đạo đức trong các cuộc thảo luận xung quanh việc áp dụng an tử cho bệnh nhân rơi vào tình trạng hội chứng khóa trong hoặc người thực vật, ông nói thêm: “Thật sự tuyệt vời khi thấy mọi thứ tiến triển, giúp cho bệnh nhân thể hiện” được quyết định của riêng họ.

Hai tấm vi điện cực, mỗi tấm 3,2 mm vuông, được đưa vào bề mặt vỏ não vận động của bệnh nhân - phần não chịu trách nhiệm vận động. Ảnh: Wyss Center

Vô số phương pháp đã được sử dụng để giao tiếp với những bệnh nhân suy giảm nhận thức nặng. Một số liên quan đến các phương pháp cơ bản bằng bút và giấy do người thân trong gia đình thực hiện. Ở những trường hợp khác, điều dưỡng viên sẽ chỉ hoặc nói tên các vật dụng và chờ xem các phản ứng vi mô từ - chớp mắt, giật ngón tay của bệnh nhân.

Trong những năm gần đây, một phương pháp mới đã thu hút sự chú ý: công nghệ giao diện não-máy tính, chuyển các tín hiệu não của một người thành các mệnh lệnh. Các viện nghiên cứu, công ty tư nhân và các tỷ phú như Elon Musk đã đầu tư rất mạnh tay vào công nghệ này.

Các kết quả thu được khác nhau nhưng rất thuyết phục: bệnh nhân cử động chân tay giả chỉ thông qua suy nghĩ của họ; những người bị đột quỵ, đa xơ cứng và các bệnh lý giao tiếp khác một lần nữa được “trò chuyện” với những người thân yêu.

Tuy nhiên, điều mà các nhà khoa học vẫn chưa thể thành công cho đến bây giờ là giao tiếp với những trường hợp như người đàn ông trong nghiên cứu mới đây, không thể biểu hiện bất kỳ cử động nào.

Vào năm 2017, trước khi hoàn toàn tê liệt vì hội chứng khóa trong, bệnh nhân trên vẫn có thể sử dụng cử động mắt để giao tiếp với gia đình. Dự đoán rằng ông ta sẽ sớm mất khả năng sau cùng này nên gia đình đã yêu cầu một hệ thống hỗ trợ giao tiếp thay thế và tiếp cận tiến sĩ Chaudhary và tiến sĩ Birbaumer, những người tiên phong trong lĩnh vực công nghệ giao diện não-máy tính.

Với sự chấp thuận của bệnh nhân, tiến sĩ Jens Lehmberg, một nhà giải phẫu thần kinh và là tác giả của nghiên cứu, đã cấy hai điện cực nhỏ vào các vùng não có liên quan đến việc kiểm soát chuyển động. Sau đó hai tháng, bệnh nhân được yêu cầu tưởng tượng bản thân đang chuyển động bàn tay, cánh tay và lưỡi của mình để xem liệu nó có tạo ra tín hiệu não nào rõ ràng hay không. Nhưng nỗ lực đó đã không mang lại bất cứ tiến triển nào.

Tiến sĩ Birbaumer sau đó đề nghị sử dụng phương pháp phản hồi thần kinh thính giác, một kỹ thuật bất thường mà bệnh nhân được đào tạo để điều khiển não hoạt động một cách chủ động. Đầu tiên, người đàn ông được cho nghe một nốt - có thể là cao hoặc thấp, tương ứng với câu trả lời có hoặc không. Đây là “tông đích” - nốt nhạc mà anh ta phải bắt được.

Sau đó, anh ta phải “chơi” nốt nhạc thứ hai để xem các điện cực đã cấy ghép có phát hiện được các hoạt động của não hay không. Bằng cách tập trung, tưởng tượng chuyển động đôi mắt của mình, điều chỉnh hoạt động não lên hoặc xuống một cách hiệu quả, anh ta có thể thay đổi cao độ của âm thứ hai để khớp với âm đầu tiên. Khi làm như vậy, anh ấy đã nhận được phản hồi theo thời gian thực về cách nốt nhạc thay đổi, cho phép anh ta tăng cao độ khi muốn nói có và giảm xuống khi nói không.

Cách tiếp cận này đã cho thấy kết quả ngay lập tức. Vào ngày đầu tiên, người đàn ông đã có thể thay đổi cao độ của nốt thứ hai. Mười hai ngày sau, anh ta khớp thành công hai nốt với nhau.

Jonas Zimmermann, một nhà khoa học thần kinh tại Trung tâm Wyss và là tác giả của nghiên cứu cho biết: “Đó là khi mọi thứ trở nên nhất quán và anh ấy có thể tái tạo những mô hình đó”. Khi được hỏi đã tưởng tượng thứ gì để thay thay đổi hoạt động não của chính mình, anh ta trả lời: “Chuyển động của mắt”.

Trong năm tiếp theo, người đàn ông đã áp dụng kỹ năng này để tạo ra các từ và câu. Các nhà khoa học đã mượn một chiến lược giao tiếp mà bệnh nhân từng sử dụng với gia đình khi vẫn có thể cử động mắt.

Họ nhóm các chữ cái thành các bộ có 5 màu. Trước tiên, một giọng nói được vi tính hóa liệt kê các màu và người đàn ông trả lời “có” hoặc “không”, tùy thuộc vào chữ cái mà anh ta muốn chọn có trong bộ đó hay không. Giọng nói sau đó tiếp tục liệt kê ra từng chữ cái, cách thức lựa chọn sẽ tương tự như trên. Anh ấy lặp đi lặp lại các bước này theo từng bộ, từng chữ cái để có thể biểu đạt rõ ràng những câu đầy đủ.

Vào ngày thứ hai, anh ấy đã viết: “Đầu tiên, tôi muốn cảm ơn Niels và nhóm của ông ấy”.

Một số câu của anh ấy liên quan đến yêu cầu như: “Mẹ hãy xoa bóp đầu” và “mọi người phải dùng gel bôi lên mắt tôi thường xuyên hơn”. Một số khác thì mô tả cảm giác thèm ăn: “Súp goulash và súp đậu ngọt”.

Trong số 107 ngày mà người đàn ông này dùng để đánh vần thì có 44 ngày là tạo ra những câu có thể hiểu được. Và mặc dù có sự thay đổi lớn về tốc độ, nhưng anh ấy đã viết với tốc độ khoảng một ký tự mỗi phút.

Tiến sĩ Mrachacz-Kersting nói: “Wow, nó đã thổi bay tâm trí của tôi”. Cô suy đoán rằng những bệnh nhân bị tê liệt sâu có thể giữ cho tâm trí của họ được kích thích và có thể trải qua cuộc sống lâu hơn, khỏe mạnh hơn.

Tuy nhiên, Tiến sĩ Mrachacz-Kersting nhấn mạnh rằng nghiên cứu mới chỉ tiến hành trên một bệnh nhân và sẽ cần được thử nghiệm với nhiều trường hợp khác.

Các nhà nghiên cứu khác cũng bày tỏ sự thận trọng trong việc đón nhận những phát hiện này. Neil Thakur, trưởng phái bộ của Hiệp hội ALS, cho biết “cách tiếp cận mới ở cấp độ thử nghiệm, vì vậy vẫn còn rất nhiều điều chúng ta cần khám phá”.

Ở giai đoạn này, công nghệ còn quá phức tạp để bệnh nhân và gia đình có thể ứng dụng. Khiến cho nó trở nên thân thiện hơn và tăng tốc độ giao tiếp sẽ rất quan trọng, đến lúc đó người thân của bệnh nhân có thể hài lòng, tiến sĩ Chaudhary nói.

“Bạn có hai lựa chọn: không giao tiếp hoặc giao tiếp với một ký tự mỗi phút. Bạn sẽ chọn gì?”, ông nói.

Có lẽ mối quan tâm lớn nhất là thời gian. Đã 3 năm trôi qua kể từ lần đầu tiên implant được cấy ghép vào não của bệnh nhân. Kể từ đó, các câu trả lời của anh ấy trở nên chậm hơn, kém tin cậy hơn và thường không thể phân biệt được, Tiến sĩ Zimmermann, người hiện đang chăm sóc bệnh nhân tại Trung tâm Wyss, cho biết.

Nguyên nhân của tình trạng tệ hơn này không rõ ràng, nhưng Tiến sĩ Zimmermann cho rằng nó có thể xuất phát từ các vấn đề kỹ thuật. Ví dụ, các tấm điện cực gần hết tuổi thọ. Tuy nhiên, thay thế chúng ngay bây giờ sẽ là không khôn ngoan. “Đó là một quy trình rất rủi ro. Bất thình lình các loại vi khuẩn mới trong bệnh viện có thể xâm nhập vào bên trong”, ông nói.

Tiến sĩ Zimmermann và những người khác tại Trung tâm Wyss đang phát triển các vi điện cực không dây an toàn hơn khi sử dụng. Nhóm nghiên cứu cũng đang phát triển các kỹ thuật không xâm lấn khác, đã được chứng minh là có hiệu quả trong các nghiên cứu trước đây trên những bệnh nhân không bị tê liệt hoàn toàn. “Chúng tôi muốn giúp mọi người rất nhiều và tôi nghĩ rằng sẽ rất nguy hiểm nếu tạo ra hy vọng sai lầm”, tiến sĩ Zimmermann nói.

Đồng thời, Tiến sĩ Laureys của Coma Science Group cho biết sẽ không có ích gì trong việc nuôi dưỡng cảm giác “tuyệt vọng giả tạo” khi mà những sáng tạo khả thi rồi sẽ xuất hiện trong tương lai gần.

“Tôi vô cùng hào hứng với tư cách là một điều dưỡng viên, một bác sĩ lâm sàng. Tôi nghĩ thật tuyệt vời khi chúng tôi cung cấp những hiểu biết khoa học và công nghệ mới này đến những bệnh nhân rất dễ bị tổn thương”, ông nói.