Thần kinh nhân tạo giúp phục hồi chức năng tế bào não tổn thương

Trong nhiều thập kỷ, nỗ lực kết nối máy móc với hệ thần kinh gặp phải một trở ngại rất lớn, đó chính là sự khác biệt về phương thức truyền tin.

Về cơ bản, các thiết bị điện tử truyền tin bằng electron, trong khi tế bào thần kinh sinh học giao tiếp bằng ion (các hạt mang điện tích) và chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters). Đây chính là "ngôn ngữ" hóa học và điện học phức tạp giúp bộ não con người vận hành.

Hiểu rõ điều này, nhóm kỹ sư và nhà khoa học quốc tế đã dày công nghiên cứu chế tạo ra những tế bào thần kinh nhân tạo có khả năng mô phỏng và trao đổi tín hiệu trực tiếp với tế bào sinh học sống của cơ thể.

Theo chuyên gia nghiên cứu, những tế bào thần kinh nhân tạo sử dụng các vật liệu đặc biệt như vật liệu hữu cơ hoặc chip silicon tiên tiến. Chúng có khả năng chuyển đổi tín hiệu điện tử thành tín hiệu hóa học, mô phỏng chính xác cách các kênh ion mở và đóng trên màng tế bào. Bằng cách này, những tế bào thần kinh nhân tạo có thể "nói" cùng một ngôn ngữ với tế bào sống, cho phép truyền thông tin liền mạch và hai chiều.

Điểm khác biệt lớn của tế bào thần kinh nhân tạo này chính là mức điện áp hoạt động trong khoảng 0,1 V - tương đương với điện áp của các nơ-ron trong cơ thể người. Các phiên bản trước thường cần điện áp gấp 10 lần và tiêu thụ năng lượng cao hơn gấp 100 lần, nên không thể giao tiếp trực tiếp với tế bào sống mà không gây xáo trộn. Chính nhờ việc giới hạn được điện áp và tiêu thụ năng lượng, thiết bị mới có thể dễ dàng hòa nhập vào hệ sinh học.

Tiềm năng chữa trị bệnh thoái hóa thần kinh

Tác động lớn nhất của khám phá này nằm ở ứng dụng y học. Khả năng giao tiếp trực tiếp cho phép các thiết bị nhân tạo thực hiện vai trò điều biến, sửa chữa hoặc thậm chí thay thế chức năng của các tế bào thần kinh bị tổn thương hoặc chết.

Cụ thể, công nghệ này mở ra hy vọng mới cho việc điều trị các bệnh thoái hóa thần kinh nghiêm trọng. Neuron nhân tạo có thể được cấy ghép để kích thích hoặc điều chỉnh các mạch thần kinh bị gián đoạn, giúp kiểm soát các cử động không tự chủ (Parkinson).

Thiết bị có thể hỗ trợ phục hồi các kết nối synap bị suy giảm, làm chậm quá trình mất trí nhớ và phục hồi chức năng nhận thức của bệnh Alzheimer. Công nghệ vi mạch cấy ghép này có thể tạo ra cầu nối kết nối giữa các vùng thần kinh bị đứt gãy, hỗ trợ phục hồi vận động và cảm giác do chấn thương tủy sống và đột quỵ

Mở ra kỷ nguyên điện toán Neuromorphic

Ngoài y học, nghiên cứu đột phá này còn có ý nghĩa sâu sắc đối với tương lai của điện toán neuromorphic - lĩnh vực nhằm chế tạo máy tính hoạt động theo cách thức của bộ não con người. Não bộ chúng ta cực kỳ tiết kiệm năng lượng, trong khi các siêu máy tính hiện tại lại "ngốn" rất nhiều. Bằng cách sử dụng cơ chế truyền tin dựa trên ion, các nhà khoa học có thể tạo ra những thế hệ chip AI siêu hiệu quả và cực kỳ tiết kiệm năng lượng.

Các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) chạy trên các chip mô phỏng neuron sinh học sẽ đạt được hiệu suất năng lượng vượt trội, giảm đáng kể gánh nặng điện năng cho các trung tâm dữ liệu lớn.

Khả năng giao tiếp hai chiều tạo tiền đề cho sự phát triển của các hệ thống máy tính lai (hybrid systems), nơi các thành phần điện tử và sinh học cùng nhau xử lý thông tin.

Tóm lại, khám phá về tế bào thần kinh nhân tạo có thể giao tiếp với tế bào sống không chỉ là một chiến thắng về kỹ thuật mà còn là một cột mốc đặt nền móng cho một tương lai mà ranh giới giữa con người và máy móc ngày càng trở nên mờ nhạt, mang lại những giải pháp điều trị triệt để và những công nghệ máy tính đột phá.