- Các nhà nghiên cứu tại Rice University đã thử nghiệm kích thích neuron từ xa và nối lại dây thần kinh hông tọa bị cắt đứt ở chuột bằng vật liệu từ-điện chuyển đổi từ trường thành điện trường
- Vật liệu mới cho thấy khả năng chuyển đổi nhanh hơn 120 lần so với các vật liệu tương tự trước đây, nhằm giải quyết vấn đề về dạng tín hiệu và tần số mà neuron khó phản ứng
- Cấu trúc dựa trên lớp áp điện lead zirconium titanate và lớp từ giảo Metglas, đồng thời xếp chồng platinum, hafnium oxide và zinc oxide để tạo ra tín hiệu điện phi tuyến
- Để thu nhỏ toàn bộ thiết bị, cần quy trình tạo các lớp mỏng dưới 200nm; về lâu dài, mục tiêu là đạt được dạng có thể tiêm vào đúng vị trí mong muốn
- Cách tiếp cận này có thể làm giảm tính xâm lấn của các liệu pháp kích thích thần kinh, đồng thời mở rộng sang các ứng dụng ngoài lĩnh vực điện tử sinh học như cảm biến, bộ nhớ và điện tử học
Kích thích thần kinh từ xa bằng vật liệu từ-điện
- Vật liệu từ-điện có thể chuyển đổi từ trường thành điện trường, nên từ lâu đã được chú ý như một ứng viên điều trị để kích thích mô thần kinh theo cách ít xâm lấn
- Hạn chế của các vật liệu trước đây là dạng và tần số của tín hiệu điện được chuyển đổi là kiểu mà neuron khó phản ứng
- Nhóm nghiên cứu của Jacob Robinson tại Rice University đã thiết kế một vật liệu từ-điện mới nhắm trực tiếp vào vấn đề này
- Theo nghiên cứu được công bố trên Nature Materials, vật liệu này có thể kích thích neuron từ xa một cách chính xác
- Nó đã được dùng trong mô hình chuột để nối khoảng hở của dây thần kinh hông tọa bị cắt đứt
- Thực hiện chuyển đổi từ-điện nhanh hơn 120 lần so với các vật liệu tương tự
Hướng tới kích thích thần kinh ít xâm lấn hơn thiết bị cấy ghép
- Robinson cho rằng đặc tính và hiệu năng của vật liệu này có thể tạo ra ảnh hưởng lớn với liệu pháp kích thích thần kinh
- Thay vì phải cấy thiết bị kích thích thần kinh như hiện nay, có thể mở ra cách chỉ tiêm một lượng rất nhỏ vật liệu vào vị trí mong muốn
- Joshua Chen cho biết điểm khởi đầu là câu hỏi liệu có thể tạo ra một vật liệu đủ nhỏ như “bụi” hoặc chỉ cần một lượng rất ít trong cơ thể mà vẫn kích thích được não hay hệ thần kinh hay không
- Từ trường dễ dàng xuyên vào cơ thể, và vật liệu từ-điện có thể chuyển nó thành điện trường mà hệ thần kinh dùng để truyền thông tin
Cấu trúc vật liệu và nguyên lý hoạt động
- Nhóm nghiên cứu bắt đầu từ một vật liệu từ-điện trong đó lớp áp điện lead zirconium titanate được kẹp giữa hai lớp từ giảo Metglas
- Metglas là một hợp kim kim loại thủy tinh có thể bị từ hóa và khử từ rất nhanh
- Khi có từ trường tác dụng, thành phần từ giảo rung và đổi hình dạng, còn vật liệu áp điện tạo ra điện từ biến dạng đó
- Khi kết hợp hai vật liệu này, từ trường tác dụng từ bên ngoài cơ thể có thể được chuyển thành điện trường
Tín hiệu phi tuyến mà neuron có thể phản ứng
- Ở các vật liệu từ-điện trước đây, mối quan hệ giữa điện trường và từ trường là tuyến tính
- Điều nhóm nghiên cứu cần là một quan hệ phi tuyến để tạo ra tín hiệu điện mà neuron thực sự có thể phản ứng
- Để làm điều này, họ xếp chồng các vật liệu sau lên trên màng từ-điện hiện có
- platinum
- hafnium oxide
- zinc oxide
- Thách thức là tìm ra các kỹ thuật chế tạo tương thích giữa các vật liệu
- Robinson cho biết đã phải đầu tư rất nhiều công sức để tạo ra các lớp mỏng dưới 200nm mang lại những tính chất đặc biệt này
- Bhave cho rằng quy trình này có thể giúp giảm kích thước toàn bộ thiết bị, từ đó mở đường cho dạng có thể tiêm trong tương lai
Thử nghiệm trên dây thần kinh ngoại biên ở chuột và khả năng thần kinh giả
- Trong thí nghiệm chứng minh khái niệm, nhóm nghiên cứu đã dùng vật liệu này để kích thích dây thần kinh ngoại biên của chuột
- Kết quả cho thấy có thể phục hồi chức năng ở dây thần kinh bị cắt đứt, qua đó gợi mở khả năng ứng dụng trong thần kinh giả
- Chen giải thích rằng siêu vật liệu này có thể được dùng để nối khoảng hở của dây thần kinh bị đứt và khôi phục tốc độ tín hiệu điện nhanh
- Nhóm nghiên cứu cho rằng khung thiết kế vật liệu này đã dẫn tới một thiết kế siêu vật liệu mới có thể vượt qua nhiều vấn đề trong công nghệ thần kinh
- Cùng cách thiết kế đó cũng có thể áp dụng cho các ứng dụng khác như cảm biến và bộ nhớ trong điện tử học
Bài báo nghiên cứu và nguồn hỗ trợ
- Tên bài báo là “Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration”
- Tạp chí đăng tải là Nature Materials và DOI là 10.1038/s41563-023-01680-4
- Các tác giả gồm Joshua Chen, Gauri Bhave, Fatima Alrashdan, Abdeali Dhuliyawalla, Katie Hogan, Antonios Mikos, Jacob Robinson
- Nghiên cứu được hỗ trợ bởi National Science Foundation và National Institutes of Health
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Với tư cách là người quen một bệnh nhân chấn thương tủy sống, việc những đột phá phải 20 năm nữa mới ra thị trường cứ lặp đi lặp lại như vậy khiến tôi thấy khá tàn nhẫn
Tôi không biết cách khắc phục, nhưng với tư cách là người mắc bệnh nan y, kiểu thực hành này ảnh hưởng xấu trực tiếp đến cuộc sống và gây nỗi sợ rất lớn; vậy mà khi nói chuyện như thế trên HN, tôi thường bị downvote, bị công kích và bị coi là nói nhảm, nên gần như đã bỏ cuộc
Tôi rất tiếc về những gì người quen của bạn đang trải qua
Mong mọi người hãy bảo vệ hệ thần kinh của mình thật tốt
Có nhiều căn bệnh làm thay đổi cuộc đời với viễn cảnh tương lai còn u ám hơn nhiều, chẳng hạn gần như không có kinh phí nghiên cứu hay sự quan tâm
Dù vậy, việc phải chờ đợi lâu là điều khủng khiếp đối với những người đang đau khổ hiện nay
Tôi không làm trong ngành y, nhưng có ai giải thích được chính xác chuyện này ghê gớm đến mức nào không?
Tôi tò mò liệu nó ở mức phục hồi tủy sống, hay chỉ là sửa chữa dây thần kinh bị cắt đứt đơn thuần
Nó có thể cho phép liệu pháp kích thích thần kinh ít xâm lấn hơn, nhưng chưa rõ hiệu quả có tốt hơn không
Vì không phải mọi neuron đều mọc lại hoặc trở về đúng vị trí ban đầu của chúng
Một người bạn đi xe máy của tôi đâm vào lan can cầu, dây thần kinh ở vai phải bị đứt, không còn cảm giác ở cánh tay và cũng không cử động được
Nếu sửa được những thứ như vậy thì với người trong cuộc đó là chuyện cực kỳ lớn
Ví dụ bệnh nhân tiểu đường cũng thuộc nhóm này, và công nghệ này có thể cải thiện nhiều cuộc đời
Nếu tôi hiểu đúng, thứ này có vẻ cho phép chuyển đổi thần kinh-số và chuyển đổi số-thần kinh
Nếu vậy thì nghĩa là chẳng bao lâu nữa ta có thể thay cơ thể bằng cơ thể robot
Vấn đề còn lại là làm sao giữ não sống trong bể, và làm cho thiết bị duy trì sự sống đủ nhỏ để đặt bên trong cơ thể
Chỉ cần tuần hoàn máu, loại bỏ carbon dioxide, cung cấp oxy và glucose, nên có lẽ không khó đến thế, và có thể giữ não sống vô thời hạn
Trước khi nói “có thể giữ não sống vô thời hạn” hay “không khó lắm”, hãy nhìn vào việc vì sao từ một phần ba đến một nửa dân số trên 85 tuổi mắc Alzheimer, Parkinson hoặc sa sút trí tuệ
Các nhà phát triển phần mềm có xu hướng nhìn những vấn đề này quá đơn giản và lạc quan, còn cơ thể con người phức tạp hơn rất nhiều so với những gì các cách giải thích như vậy gợi ý
Tôi hy vọng thứ này sẽ được dùng để giúp những người bị tổn thương thần kinh do đứt dây thần kinh, hoặc tạo ra tay chân giả tốt hơn với chuyển động và cảm biến xúc giác cho những người mất chi
Cá nhân tôi cũng rất quan tâm đến việc cải thiện tương tác người-máy tính
Nếu có thể thì tốt nhất là không cần phẫu thuật, hoặc bằng một cách cực kỳ không xâm lấn và nhanh chóng
Nhất là trong bối cảnh cứ hai ngày lại có một bài trên HN, và hàng trăm bài trên Reddit, tuyên bố chắc chắn chữa được ung thư hoặc AIDS
Việc có thể đưa cơ thể người sang bên kia Trái Đất trong 25 giờ với tốc độ 900 km/h, chi phí dưới 1.500 USD, nhưng dù bỏ ra gấp 1.000 lần chi phí và 1.000 lần thời gian vẫn không nối được khoảng cách giữa não và bàn chân, luôn khiến tôi thấy có gì đó lệch pha
Bây giờ bạn phải nối lại tất cả sao cho từng cổng được kết nối lại đúng với cổng ban đầu của nó
Hơn nữa, các sợi cáp đó có kích thước hiển vi, cực kỳ mỏng manh, và thực ra ta cũng không biết phải sửa thế nào
Về cơ bản chỉ còn hy vọng chúng mọc lại đúng chỗ
Ngược lại tôi thấy khá tự nhiên
Độ chính xác luôn khó
Hầu hết mọi người thấy việc đá một quả bóng xa 10 m dễ hơn việc nhắm trúng chính xác một điểm 1 mm cách 1 m
Di chuyển một đống cát đi 100 m dễ hơn việc dịch đúng một hạt cát 1 cm mà không chạm vào các hạt xung quanh
Máy bay là thứ con người thiết kế từ các nguyên lý nền tảng, và chúng ta giỏi ghi chép lại các phát minh cũng như hiểu nguyên lý của chúng
Nhưng chế tạo thứ gì đó kết nối với hệ thống sinh học là một vấn đề hoàn toàn khác
Nó giống như đảo ngược kỹ thuật công nghệ ngoài hành tinh, khi ta phải lần ngược để hiểu một thứ cực kỳ phức tạp mà nền văn minh của chúng ta không thiết kế
Nó phức tạp đến mức chỉ tương đối gần đây, nhờ tiến bộ ở các lĩnh vực khác, ta mới tạo ra được những công cụ có thể thăm dò nó một cách có ý nghĩa
Chúng ta luôn biết toán học nhiều hơn vật lý, ít nhất là từ thời Ai Cập cổ đại; biết vật lý nhiều hơn hóa học; và biết hóa học nhiều hơn cơ thể mình
Công nghệ khả dụng cũng phản ánh những khác biệt đó
Liệu trong khoa học viễn tưởng tương lai gần, có thể dùng công nghệ kiểu này để cấy ghép một cột sống mới nuôi trong phòng thí nghiệm không?
“Một phần mục tiêu của CTRL-Labs khá kỳ lạ, chẳng hạn như huấn luyện mô hình để điều khiển thêm ngón tay”
https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
Liệu chúng ta có thể tăng cường hoặc nối chéo các dây thần kinh để điều khiển những thứ vốn dĩ ta không thể điều khiển không?
Ví dụ, nếu có thể tiết hormone theo ý muốn để giải phóng adrenaline hoặc khiến bản thân bình tĩnh lại thì sao?
Theo những gì tôi đọc, ngay cả cột sống cũng có khả năng phản ứng và suy nghĩ cơ bản, và có thể vượt quá trình độ mà con người có thể tạo ra
Đây là hy vọng lớn cho các bệnh nhân bị liệt
Chỉ mong nó không trở thành công nghệ quá đắt đỏ đến mức chỉ vài triệu phú mới dùng được
Những thông cáo do chính các trường đại học đăng, chẳng hạn như rice.edu công bố một đột phá lớn, giờ với tôi gần như giống clickbait vì động cơ khuyến khích quá méo mó
Nhà nghiên cứu thổi phồng kết quả để có bài báo và tài trợ nghiên cứu, còn trường đại học lại thổi phồng kết quả đó thêm lần nữa để thu hút sinh viên và nhà đầu tư
Tôi tò mò liệu những người khác có cảm thấy tương tự không, hay chỉ là tôi đã trở nên quá hoài nghi
Truyền thông học thuật là việc khó và ít được tưởng thưởng
Nếu nhìn không quá hoài nghi, một nửa công việc của nhà nghiên cứu là phổ biến kết quả cho các nhà nghiên cứu khác và công chúng
So với việc tin tức kích động phẫn nộ thống trị truyền hình và trang chủ “tin tức dòng chính”, tôi nghĩ các thông cáo đại học hào hứng, dù hơi phóng đại, vẫn tốt hơn
Nhà nghiên cứu nghiêm túc rốt cuộc có thể quay lại dữ liệu bình duyệt thực tế
Bài viết cũng có liên kết, và bản gốc ở đây: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
PDF ở đây: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
Với tư cách là người chỉ biết lĩnh vực này ở mức bên lề, và có biết đôi chút về linh kiện áp điện, từ giảo cũng như kích thích/ghi tín hiệu thần kinh, tôi chưa từng thấy vật liệu từ giảo nào có thể tạo DC bias
Hơn nữa, việc vận hành linh kiện ở chế độ không cộng hưởng để kích thích thần kinh cũng khiến tôi thấy mới mẻ
Dù chỉ là góc nhìn từ cách xa 1.000 feet, tôi thấy khá thú vị, và cho rằng bài viết này là một bản tin hiệu quả với nội dung xứng đáng với mức phóng đại đó
Một phần đáng kể những gì chúng ta biết về xã hội học có thể là giả, và nếu nền tảng lớn của tư tưởng tiến bộ về chủng tộc, giới tính sinh học và giới nằm trên đó thì đó là vấn đề lớn
Ít nhất thì tình huống này có vẻ không khác nhiều
Khi nào neural lace mới xuất hiện nhỉ?
Tôi hiểu tiềm năng của nó là rất lớn và hấp dẫn, nhưng tôi không muốn trở thành người dùng đầu tiên của một sản phẩm như vậy