Một Bí Kíp Nâng Cao Khả Năng Động Và Giác Quan Chạm Cho Người Đàn Ông Này Bằng Cách Ghimplant Não

Đó là mùa hè năm 2010, và Ian Burkhart đang đánh giá những con sóng khi anh ta bơi ở đại dương ngoại khơi bờ biển Bắc Carolina. Anh ta đã đến đó trong kì nghỉ cùng một nhóm bạn để nghỉ ngơi sau khi kết thúc năm đầu tiên học sản xuất video tại Đại học Ohio. Anh chuẩn bị nhảy vào một đợt sóng sắp tới và rơi vào nước. Burkhart là một người bơi lội có khả năng, nhưng đại dương thì khó dự đoán. Con sóng đánh anh ta vào một cái cát và đó là lúc anh nhận ra anh ta không còn cảm giác ở cơ thể mình.

Không thể di chuyển, Burkhart hoàn toàn nằm dưới sự bất lực của đại dương. Bạn bè nhanh chóng nhận ra có điều gì đó không đúng và kéo anh ta ra khỏi nước. Anh ta được đưa đến một bệnh viện gần đó nơi anh ta phải phẫu thuật cấp cứu. Sau khi ổn định, bác sĩ báo cho Burkhart biết tin tồi: Tuỳ sống của anh ta đã bị đứt. Anh ta không còn khả năng đi lại, phạm vi chuyển động của cánh tay giới hạn tới vai và cơ thể anh ta gần như hoàn toàn mất cảm giác chạm.

Sau nhiều năm nỗ lực để thích ứng với hiện thực mới, Burkhart tham gia một chương trình thử nghiệm mang tên NeuroLife tại Battelle, một tổ chức nghiên cứu phi lợi nhuận ở Ohio. Kế hoạch là ghimplant một vi mạch máy tính nhỏ vào não của anh ta và sử dụng nó để cải thiện phạm vi chuyển động của cánh tay và tái tạo nhân tạo giác quan chạm của anh ta. Đó là một cơ hội lớn, nhưng Burkhart nói rằng phía trên tiềm năng đáng kể đó xứng đáng với sự cố gắng. “Đó là nhiều điều để cân nhắc, nhưng tôi không sẵn lòng chấp nhận tình trạng liệt nửa nửa đó”, anh ta nói. Bây giờ, sau sáu năm tham gia nghiên cứu, Burkhart có thể cảm nhận được các đối tượng và kiểm soát đủ cánh tay để chơi Guitar Hero.

Vấn đề, theo Ganzer, là các tín hiệu cho cảm giác và chuyển động bị lẫn lộn trong não. Mỗi chuyển động hoặc cảm giác tạo ra một tín hiệu duy nhất, và vi xử lý trong đầu Burkhart nhận vào khoảng 100 tín hiệu khác nhau cùng một lúc. “Chúng tôi đang tách những suy nghĩ diễn ra gần như đồng thời và liên quan đến các chuyển động và cảm giác chưa thể nhận biết, điều này là một thách thức lớn,” thêm Ganzer.

Để làm điều này, Ganzer và đồng nghiệp của ông sử dụng một thiết lập phức tạp kết nối não của Burkhart với máy tính. Vi xử lý trong vùng vỏ não của ông gửi các tín hiệu điện qua một cổng ở phía sau đầu, được truyền qua một cáp đến một máy tính gần đó. Tại đó, một chương trình phần mềm giải mã các tín hiệu não và tách chúng thành các tín hiệu tương ứng với các chuyển động dự định và các tín hiệu tương ứng với giác quan cảm giác. Các tín hiệu đại diện cho các chuyển động dự định được đưa đến một bọc điện cực bọc quanh cánh tay của Burkhart. Các tín hiệu cảm giác được đưa đến một dải rung xung quanh cánh trên của anh ấy.

Đầu tiên, Ganzer và đồng nghiệp của ông tập trung vào việc khôi phục chuyển động trong cánh tay của Burkhart mà không có cảm giác chạm. Burkhart nói rằng tiến triển ban đầu là chậm và đòi hỏi anh phải học cách nghĩ về việc di chuyển cánh tay để tạo ra các tín hiệu điện có thể được máy tính nhận ra. “Chỉ việc mở và đóng tay đã là thách thức, vì trước chấn thương tôi chưa bao giờ phải nghĩ về việc thực sự làm thế nào để làm cho tay mình di chuyển,” anh nhớ lại.

Nhưng trong vòng một năm, anh ấy đã khôi phục được một phần chuyển động trong tay mình. Không lâu sau đó, anh ấy có đủ kiểm soát trên cánh tay để chơi một phiên bản được sửa đổi của Guitar Hero, phiên bản yêu cầu nhấn nút bằng ngón tay trên cần đàn, nhưng không cần đàn còn lại để đánh. “Chơi một trò chơi video đòi hỏi loại multitasking đó—nghe bài hát, theo dõi màn hình để định thời điểm và thực hiện suy nghĩ liên quan đến việc di chuyển ngón tay một cách đơn lẻ—thêm một cấp độ phức tạp khác,” Ganzer nói.

Burkhart cho biết có khả năng di chuyển vật thể là “tuyệt vời,” nhưng anh bị hạn chế khi không có giác quan cảm giác. Thiếu phản hồi này, việc nắm bắt vật thể đòi hỏi sự chú ý đầy đủ của anh. Trừ khi anh nhìn vào nó, anh không thể nói liệu anh có đang nắm giữ cái gì hay không. “Điều đó thực sự thách thức, đặc biệt là nếu tôi muốn nắm một cái gì đó ở phía sau hoặc trong một chiếc túi,” Burkhart nói. Ngay cả khi anh có thể nhìn thấy vật thể, độ chặt chẽ của cầm nắm lại nằm ngoài tầm kiểm soát của anh, điều này làm cho việc xử lý các đối tượng tinh tế trở nên khó khăn.

Việc thêm vào hệ thống giác quan cảm giác là một thách thức lớn hơn. Các nhà thần kinh học đã thành công trong việc tái tạo cảm giác chạm ở những người bại liệt cụt bốn chi bằng cách truyền dữ liệu từ cảm biến trong bàn tay nghệ thuật máy bionic đến một vi xử lý trong não của người sử dụng. Vấn đề là BCI của Burkhart không được thiết kế cho loại đầu vào đó. Nó thậm chí không nằm ở đúng vị trí. Cảm giác chạm được đăng ký ở vùng vỏ giác quan, nằm phía sau vùng vỏ chủ động, nơi mà vi xử lý được cài đặt. Tuy nhiên, Ganzer nói rằng vùng vỏ giác quan có thể là “người hàng xóm nhiễu loạn” và một số tín hiệu của nó đã bị vi xử lý nhận ra. Chỉ là cần phải tìm hiểu ý nghĩa của chúng.

Để tách ra các tín hiệu độc đáo tương ứng với cảm giác chạm, Ganzer và đồng nghiệp của ông bắt đầu thực hiện kích thích đích trên ngón tay và cánh tay của Burkhart, những phần của chi anh vẫn còn có cảm giác chạm rất yếu. Bằng cách quan sát cách tín hiệu não của Burkhart thay đổi khi áp dụng áp lực lên các ngón tay và bàn tay, họ có thể xác định các tín hiệu chạm yếu so với nền tảng của tín hiệu chuyển động mạnh hơn. Điều này có nghĩa là một chương trình máy tính có thể chia tín hiệu đến từ BCI của Burkhart để tín hiệu chuyển động đi đến các điện cực quanh cánh tay và tín hiệu chạm đến một dải đeo cánh trên bắp cánh tay của anh.

Cánh trên của Burkhart cũng là một trong số ít phần của cơ thể anh còn có cảm giác sau tai nạn. Điều này có nghĩa là tín hiệu áp lực yếu được truyền từ tay anh đến não có thể được chuyển đổi thành rung để anh biết anh đang chạm vào một vật thể. Trong các thử nghiệm với dải đeo cánh, Burkhart có thể biết khi anh đang chạm vào một vật thể với độ chính xác gần như hoàn hảo, ngay cả khi anh không thể nhìn thấy nó.

Ban đầu, dải đeo cảm giác của Battelle chỉ là một thiết bị rung đơn giản, bật tắt. Nhưng Ganzer và đồng nghiệp của ông đã làm tinh tế nó hơn để nó thay đổi rung dựa trên cách Burkhart nắm chặt hoặc nhẹ nhàng một vật thể. Nó tương tự như cách bộ điều khiển trò chơi video và điện thoại di động cung cấp phản hồi cho người dùng, nhưng Burkhart nói rằng anh đã mất một thời gian để quen với nó: “Nó chắc chắn là kỳ lạ. Nó vẫn chưa bình thường, nhưng chắc chắn là tốt hơn nhiều so với việc không có bất kỳ thông tin giác quan nào truyền về cơ thể của tôi.”

Robert Gaunt, một kỹ sư y sinh tại Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Neural của Đại học Pittsburgh, so sánh hệ thống của Battelle với phương pháp đang được phát triển trong phòng thí nghiệm của ông, nơi một BCI kiểm soát một chi cơ robot và các cảm biến trên chiếc cơ trả lại tín hiệu kích thích não để tái tạo giác quan chạm giả mạo trong tay người. “Những gì họ đang làm có chút giống như thay thế giác quan, thay vì khôi phục giác quan chạm cho tay của mình,” Gaunt nói. “Chúng tôi đều có mục tiêu phát triển các thiết bị cải thiện cuộc sống của những người bị chấn thương tủy sống, nhưng cách hiệu quả nhất để làm điều đó hiện tại vẫn không rõ.”

Bây giờ khi Ganzer và đồng nghiệp của ông đã thử nghiệm công nghệ trong phòng thí nghiệm, ông nói rằng bước tiếp theo là cải thiện hệ thống để sử dụng hàng ngày. Đội ngũ đã thu nhỏ kích thước của điện tử được sử dụng trong hệ thống thành một hộp có kích thước như băng VHS có thể được gắn trên xe lăn của Burkhart. Hệ thống cồng kềnh của các điện cực cũng đã được giảm xuống thành một ống tay khá dễ dàng đeo và tháo. Gần đây, Burkhart đã sử dụng hệ thống lần đầu tiên tại nhà, điều khiển nó thông qua một chiếc tablet.

Do tính xâm lấn của BCI, cần phải được cấy ghép phẫu thuật, có thể mất một thời gian trước khi những hệ thống như vậy được sử dụng rộng rãi trong số những người bại liệt cụt bốn chi. BCI không xâm lấn không yêu cầu phẫu thuật là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực, nhưng đối với công nghệ này, vẫn còn rất sớm. Ganzer đang làm việc trên một dự án được tài trợ bởi Darpa để phát triển một BCI sử dụng một loại hạt nano đặc biệt để không dây truyền tín hiệu đến và từ não. Nhưng không có công nghệ nào có thể có được mà không có những người như Burkhart, người tình nguyện để cho thấy điều gì là có thể.

“Mục tiêu của tôi là đưa điều này vào tay những người khác mắc bệnh liệt và xem chúng ta có thể đẩy công nghệ đến đâu,” Burkhart nói. “Điều lớn nhất đã động viên tôi là hy vọng cho tương lai.”

• Để chạy marathon tốt nhất ở tuổi 44, tôi phải chạy nhanh hơn quá khứ của mình
• Những người làm việc tại Amazon mô tả những rủi ro hàng ngày trong đại dịch
• Stephen Wolfram mời bạn giải quyết vấn đề vật lý
• Mật mã thông minh có thể bảo vệ quyền riêng tư trong các ứng dụng theo dõi tiếp xúc
• Mọi thứ bạn cần để làm việc tại nhà như một chuyên gia
• 👁 Trí tuệ nhân tạo khám phá một phương pháp điều trị tiềm năng cho Covid-19. Ngoài ra: Nhận tin tức AI mới nhất
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Hãy kiểm tra những lựa chọn của đội ngũ Gear của chúng tôi cho những chiếc vòng đeo sức khỏe tốt nhất, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày và tất chạy bộ), và tai nghe tốt nhất