• Thứ Ba, 15/07/2014 10:16 (GMT+7)

    Công nghệ cao hỗ trợ người khuyết tật

    Quang Anh
    Các bộ phận thay thế nhân tạo có giao thức mô phỏng hệ thần kinh con người sẽ loại bỏ các khuyết điểm mà công nghệ sinh học hiện nay đang mắc phải.

    Hugh Herr là một ví dụ sống động minh chứng cho phương châm sống “cách tốt nhất để dự đoán tương lai là phát minh ra nó”. Ở tuổi 17, Herr đã là một tay leo núi trẻ tài năng, nhưng không may gặp nạn trong một trận bão tuyết và đã bị mắc kẹt trên một sườn núi trong ba ngày. Khi được đội cứu hộ tìm thấy, cả hai chân nhà leo núi đã bị tê cóng và sau đó buộc phải cắt cụt từ dưới. Như những người bất hạnh bị cụt chân khác, Herr đã dành nhiều tháng thử dùng chân giả trong trung tâm phục hồi chức năng. Song ông đã thất vọng ghê gớm với loại công cụ hỗ trợ này.  Làm thế nào ông có thể tiếp tục leo núi với những thứ phiền phức như vậy? Và ông nghĩ tới việc các chuyên gia trong ngành y tế có thể chế tạo ra được các bộ phận thay thế hỗ trợ người khuyết tật tiện dụng hơn nhiều.

    Cho tới nay, ba thập kỷ sau khi gặp nạn, Herr đã có thể bách bộ trên chân giả được sáng tạo theo c ông nghệ bionic của riêng mình. Với cương vị giám đốc của nhóm Biomechatronics tại MIT Media Lab, Herr đã nghiên cứu phát triển các loại chân tay giả cao cấp mà người dùng có thể sử dụng để đi bộ, chạy  hay thậm chí leo núi. Mục đích của ông khi thành lập trung tâm mới Extreme Bionics của MIT được đặt ra không chỉ để phục vụ đam mê cá nhân nữa mà hướng tới việc phục vụ cho cộng đồng. Herr tuyên bố chắc nịch: “Năm mươi năm nữa, tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ loại bỏ phần lớn các trở ngại mà người khuyết tật hiện nay đang gặp phải”. Ông cũng nói thêm rằng những gì ông và cộng sự đang nghiên cứu sẽ bù đắp được không chỉ khiếm khuyết cơ học như què cụt chân tay mà còn hỗ trợ cả các khuyết tật liên quan tới thần kinh.

    “50 năm sau sẽ không còn người khuyết tật”

    Cốt lõi của giải pháp này không nằm ở công nghệ sinh học hoặc dược học mà gắn liền với những thành tựu về điện toán gắn với cơ thể con người.

    Có thể nói các nhà khoa học ở MIT là một phần của phong trào ứng dụng các công nghệ điện toán hiện đại vào lĩnh vực y tế phục vụ con người, đưa con người tới gần với giai đoạn người máy vốn chỉ được nhắc tới trong phim ảnh trước đây - thời đại cyborg. Trên khắp  thế giới, các kỹ sư đang nghiên cứu chế tạo các hệ thống điện tử có thể giao tiếp trực tiếp với hệ thần kinh của con người, hứa hẹn mang lại những phương pháp điều trị hoàn toàn mới cho một loạt các bệnh tật liên quan đến thể chất và tinh thần. Trong khi Herr và cộng sự tập trung vào việc giúp cho bệnh nhân kiểm soát tốt hơn chân tay giả của họ, các nhóm nghiên cứu khác đang làm việc để cung cấp các giải pháp giúp kiểm soát cảm xúc. Một trong những thí nghiệm đầy hứa hẹn nhắm tới việc chữa trị chứng trầm cảm với kích thích não sâu (DBS), sử dụng các điện cực cấy trong não gửi các xung điện ổn định tới các trung khu thần kinh có vấn đề. Một nhóm khác ở California lại đang phát triển thiết bị, công cụ để nâng cao nhận thức cho những người bị thiểu năng trí tuệ.
     

    Y học dựa trên mã gen
    Mặc dù các tiến bộ về công nghệ kỹ thuật sẽ đóng một vai trò trung tâm trong y học thế kỷ 21 song phương pháp điều trị sinh học sẽ khó biến mất. Những phương pháp điều trị sẽ được định hình bởi sự phổ biến sắp tới của mã gen, qua đó sẽ hình thành nên một mô hình mới của y học di truyền được cá nhân hóa. Sự thay đổi này sẽ bắt đầu viện phụ sản, nơi các trẻ sơ sinh sẽ được quét bộ mã gen đầy đủ và lưu các lỗ hổng di truyền của chúng dưới dạng dữ liệu. Sau đó, các bác sĩ sẽ căn cứ vào đó để đưa ra các phác đồ chữa trị thích hợp các bệnh tật mà chúng có thể mắc phải  trong cuộc đời một cách tốt nhất. Ngày nay, chi phí cho một lần quét bộ mã gen là gần 1.000 USD và việc quét này đã trở nên phổ biến tại các bệnh viện ung thư. Cho tới khi chi phí này giảm xuống 100 USD thì chắc chắn chúng sẽ được phổ biến ở khắp mọi bệnh viện.


    Trong tất cả các dự án, các nhà nghiên cứu bắt đầu với xuất phát điểm rằng rất nhiều phiền não có thể được điều trị hiệu quả bằng cách sử dụng ‘ngôn ngữ’ xung điện mà não sử dụng để điều khiển chuyển động, tâm trạng và ký ức của con người. Cho tới năm 2064, các chuyên gia về công nghệ thần kinh dự kiến sẽ có đủ khả năng mô phỏng thành thạo loại ‘ngôn ngữ’ này, cho phép y học có thể chữa trị nhiều bệnh tật của con người thông qua kết nối điện trực tiếp.

    Cơ thể con người là một mạng điện

    Chúng ta đều biết tới thí nghiệm từ thế kỷ 18, khi Luigi Galvani chạm dao tích điện vào dây thần kinh của một con ếch chết và khiến chân nó cử động. Tế bào thần kinh não sẽ gửi các xung điện áp khi bị kích thích, và các xung này tạo ra cảm giác, suy tưởng và các hành động của chúng ta. Các tín hiệu điện do não tạo ra cũng được truyền tải thông qua tủy sống và theo các dây thần kinh ngoại vi để điều khiển cơ bắp và các cơ quan của cơ thể. Y học trong thế kỷ 20 chủ yếu dựa vào dược phẩm căn cứ trên các thành tựu nghiên cứu hóa học liên quan tới sử dụng hoạt chất để có thể làm thay đổi hoạt động của tế bào thần kinh hoặc tế bào khác trong cơ thể. Còn việc chăm sóc sức khỏe của thế kỷ 21 ngày nay có thể được định nghĩa chính xác hơn bằng thuật ngữ electroceuticals: phương pháp điều trị mới sử dụng xung điện để điều chỉnh hoạt động của tế bào thần kinh, hoặc các thiết bị giao tiếp trực tiếp với các dây thần kinh của con người.

    Phòng thí nghiệm của Herr tập trung vào việc tạo ra chân giả tiên tiến, phát triển các hệ thống điều khiển cho phép người tàn tật kiểm soát các chi nhân tạo được sản xuất từ titan và nhựa một cách tự nhiên như điều khiển phần cơ thể máu thịt của mình trước kia. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại và giải mã các tín hiệu điều khiển của não bộ và sau đó truyền tải chúng tới trung tâm xử lý điều khiển của các bộ phận nhân tạo. Herr đã thử nghiệm phiên bản đầu tiên của thiết bị tích hợp dạng này cho chính bản thân mình. Khi ông uốn cong cơ bắp xung quanh đầu gối của mình giống như đang chuẩn bị bước, hệ thống electromyograph ngay lập tức bắt các tín hiệu điện trong cơ bắp và dịch nó thành tín hiệu kỹ thuật số gửi tới các bộ vi xử lý trong chân giả để tạo ra cử động thích hợp.

    Việc kết nối trực tiếp hơn giữa não bộ và máy móc là có thể khi Herr cho biết đã thành công trong việc kết nối chân tay giả tới hệ thống thần kinh ngoại biên ở phần tay chân còn lại của những người tàn tật. Ưu điểm của những hệ thống này không chỉ là giúp điều khiển các các bộ phận giả chính xác hơn. Ngoài ra nó cũng có thể gửi các thông tin cảm giác trở lại với trung khu thần kinh của não, khiến cho những người khuyết tật sẽ cảm thấy các thiết bị giả này thực sự trở thành một phần của cơ thể họ. Và điều này sẽ thay đổi cách mà cộng đồng vẫn nhìn nhận đối với công nghệ chân tay giả.

    Người khuyết tật

    Thường thì những người tàn tật đều có những mốc thời gian cụ thể giữa lúc lành lặn và tai nạn, kiểu như chuyến leo núi gặp nạn của Hugh Herr. Trong khi đó, những người bị trầm cảm thường không biết khi nào họ mắc bệnh do quá trình ấy thường diễn ra rất từ từ. Trầm cảm là một bệnh lý y tế liên quan đến tâm trí và cơ thể, nó ảnh hưởng đến cách cảm nhận, suy nghĩ và hành xử. Trầm cảm có thể dẫn đến một loạt các vấn đề tình cảm và thể chất. Bệnh nhân có thể gặp khó khăn khi thực hiện các hoạt động bình thường hàng ngày, và trầm cảm có thể làm cho cảm thấy như thể cuộc sống là không đáng sống.

    Không còn gót chân Achilles. Aimee Mullins và Hugh Herr đã nhìn thấy viễn cảnh khi mà nâng cấp các bộ phận cơ thể con người trở thành một việc bình thường. Mullins – nữ diễn viên và luật sư, được lắp chân tay giả và là người đầu tiên mất cả hai chân tham dự các cuộc thi đấu điền kinh tại Mỹ.
     

    Từ trước đây nhiều năm, các nhà thần kinh học đã phát hiện sự sợ hãi cố hữu này của bệnh nhân có thể được điều trị bằng cách sử dụng xung điện làm thay đổi hoạt động của tế bào thần kinh và giờ đây họ đang tích cực ứng dụng những kiến thức này với sự hỗ trợ của công nghệ hiện đại. DBS là một trong những phương pháp thử nghiệm được đánh giá cao trong việc chữa trị trầm cảm. Nó sử dụng một cấu kiện cấy ghép gọi là “máy tạo xung não” để gửi các xung điện ổn định cho các vùng não nhất định. Đây vốn là một công nghệ tiên phong được tìm ra để ngăn chặn chứng run của những bệnh nhân Parkinson, nhưng bây giờ được ưng dụng tích cực trong việc xử lý các rối loạn thần kinh và tâm thần như trầm cảm, rối loạn ám ảnh cưỡng chế hay PTSD (rối lọan stress sau chấn thương). Helen Mayberg, một giáo sư thần kinh học tại Đại học Emory và một cơ quan được ủy quyền nghiên cứu về DBS cho biết hiện nay họ đã bước vào giai đoạn thử nghiệm beta của việc ứng dụng DBS trong tâm thần học.

    Đã có hơn 100.000 bệnh nhân parkinson được cấy các điện cực trong các trung khu điều khiển thích hợp của não bộ, sử dụng xung điện nhân tạo để kích thích các tế bào thần kinh ốm yếu. Nhưng đối với các rối loạn thần kinh như trầm cảm, việc điều trị cũng phức tạp hơn. Mayberg nói:” “Các yếu tố hạn chế thực sự là khoa học thần kinh chứ không phải là khả năng kỹ thuật”. Cô đã sử dụng các nghiên cứu hình ảnh não để khoanh vùng một khu vực cụ thể để xem xét việc quá trình hoạt động quá mức ở những bệnh nhân trầm cảm. Mayberg đã được cấy ghép thiết bị DBS trong khu vực này (gọi là khu Brodmann 25) trong não của khoảng hai chục bệnh nhân không đáp ứng với các loại thuốc và phương pháp điều trị thường dùng.

     

    Các đối tượng thử nghiệm vốn đang tuyệt vọng nên sẵn sàng trải qua các ca phẫu thuật não cấy ghép này. Kết quả rất ấn tượng khi thuốc chống trầm cảm thường mất vài tuần để có tác dụng trong khi nhiều bệnh nhân dùng DBS đã biểu hiện thay đổi trong tâm trạng ngay lập tức khi các thiết bị được bật. Có bệnh nhân xuất hiện ngay ham muốn kết nối xã hội, người khác bày tỏ mong muốn đi chơi một trò chơi giải trí đã lâu không chơi là bowling... Hầu hết các bệnh nhân đã chọn để giữ cho hệ thống cấy ghép DBS của họ kích hoạt sau khi thời gian thử nghiệm chính thức kết thúc. Sau nhiều nghiên cứu và quan sát, Mayberg kết luận rằng các thiết bị này đã phát huy những tác dụng to lớn trong việc chữa trị trầm cảm.

    Mặc dù việc sử dụng phương thức DBS có kết quả ấn tượng trong điều trị trầm cảm, nhưng không phải là không có một trở ngại. Một đợt thử nghiệm lớn đã phải tạm dừng vào năm ngoái khi nhà sản xuất thiết bị St Jude Medical thông báo rằng các thử nghiệm mà họ đã tài trợ đã có sai sót nhưng không giải thích chính xác là sai như thế nào. Mayberg cũng  lưu ý rằng có nhiềutác động có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của phương pháp DBS. Ví dụ, ngay cả khi thiết bị thử nghiệm đã được cấy ghép chính xác vào các trung khu thần kinh được khoanh vùng, bước sóng của các xung điện có thể đã tắt. Nhà sản xuất St Jude có thể đã quá vội vã trong việc cố gắng tạo ra một sản phẩm thương mại trước khi ngành khoa học thực sự hiểu thấu được cơ cấu hoạt động của các thiết bị này.

    Cho tới 2064, viễn cảnh như trong bộ phim iRobot sẽ trở thành hiện thực
     

    Tin tốt cho tất cả các kỹ sư/chuyên gia nghiên cứu não là rất nhiều sáng kiến khoa học thần kinh lớn gần đây đã được giới thiệu tại Mỹ và Châu Âu. Đích thân tổng thống Mỹ Barack Obama công bố sự ra đời của tổ chức BRAIN Initiative vào năm 2013 với số tiền hàng trăm triệu đô la dùng  để phát triển các công cụ mới để có thể ghi lại và phân tích tốt hơn hoạt động của não bộ. Trong khi đó ở châu Âu, tổ chức Human Brain Project đang sử dụng siêu máy tính để mô phỏng một bộ não người hoàn chỉnh nhằm hiểu rõ hơn về chức năng của nó.

    Rất có thể là trong 50 năm nữa, phương pháp DBS và các kỹ thuật sử dụng xung điện khác sẽ là một phần của tâm thần học chính thống. Tới lúc ấy, Mayberg ví von rằng các nhà khoa học sẽ hiểu biết về hệ thần kinh con người như các kỹ sư điện tử hiểu biết về điện cực vậy.

    Cyborg - Sinh vật cơ khí hóa
    Cyborg, cũng như “sinh vật cơ khí hóa”, “sinh vật cơ khí”, “sinh vật sinh hóa”, “sinh vật điều khiển học” hay “sinh học bán cơ khí”  là một tồn tại với cả hai phần sinh học và nhân tạo (ví như điện tử, cơ khí, hay robot). Thuật ngữ cyborg được sử dụng đầu tiên bởi Manfred Clynes và Nathan Kline trong bài viết về những ưu điểm của hệ người - máy có khả năng tự điều chỉnh trong môi trường không gian. Hiện nay cụm từ  Sinh vật cơ khí hóa thường được dùng để nói về việc cường hóa cơ năng của sinh vật bằng giải pháp công nghệ.
     

    Mục tiêu tiếp theo của các nhà khoa học sau khi khắc phục được các trở ngại liên quan tới việc điều trị cho các bệnh nhân khuyết tật về cơ thể và cảm xúc là tiến tới việc giải quyết vấn đề trí và tuệ và thoái hóa do tuổi tác. Cho tới năm 2064, viễn cảnh người máy phục vụ cá nhân hay cấy ghép các bộ phận máy cho cơ thể người như trong phim iRobot là hoàn toàn khả thi. Giáo sư y sinh của Đại học Nam California, Theodore Berger phát biểu: “Chúng ta đang sống lâu hơn, vì vậy vấn đề lão hóa và các vấn đề liên quan tới nhận thức sẽ được chú ý nhiều hơn và phổ biến hơn. Chi phí của thiết bị hỗ trợ nhận thức nhân tạo sẽ thấp hơn so với việc chăm sóc một người bị mất trí nhớ trong 20 năm.”
    Điều đó có nghĩa là các bệnh nhân alzheimer trong tương lai sẽ được cấy ghép các thiết bị hỗ trợ trí nhớ nhân tạo hiện đang được nghiên cứu phát triển trong phòng thí nghiệm Berger hôm nay. Trong thí nghiệm đầu tiên trên chuột,  Berger đã giải mã mối quan hệ giữa các tín hiệu đầu vào từ tế bào thần kinh xử lý một bài tập ví dụ ngắn gọn và dần tiến tới các thí nghiệm phức tạp hơn.

    Mục tiêu của Berger là lập bản đồ các mối tương quan giữa hai mẫu xung điện để có thể ghi lại chính xác tín hiệu đầu vào và dự đoán tín hiệu ở đầu ra, trong trường hợp này chính là trí nhớ. Công việc này rất phức tạp và sẽ còn tốn nhiều thời gian nghiên cứu. Tuy được mô tả ngắn gọn là toán học hóa các tín hiệu đầu ra và gửi cho các tế bào thần kinh trong bộ nhớ lưu trữ song tính phức tạp của công việc được Berger hài hước so sánh “giống như dịch từ tiếng Nga sang tiếng Ả Rập mà hoàn toàn không biết tý gì về hai ngôn ngữ ấy”. Berger đã chứng minh rằng ông có thể cấy ghép trí nhớ nhân tạo ở mức độ đơn giản trong thử nghiệm với một con chuột bị hư hỏng trung khu thần kinh lưu trữ ký ức. Đáng chú ý hơn, thiết bị cấy ghép này được áp dụng trên con chuột chưa bao giờ trải qua thí nghiệm.

    Với những kiến thức thu được về cách thức ghi lại và lưu trữ ký ức, Berger cho rằng hoàn toàn có thể nghĩ đến một thiết bị nhân tạo giải mã ký ức. Ông và các đồng nghiệp của mình đã bắt đầu tiến hành thí nghiệm trên động vật linh trưởng và dự kiến thử nghiệm trên người trong những năm tới. Ông dự đoán trong 50 năm nữa, các thiết bị hỗ trợ trí nhớ nhân tạo dạng đơn giản sẽ trở nên phổ biến trong cuộc sống.
    Viễn cảnh của ngành này là rất sáng sủa khi những người tàn tật cảm thấy tự do thoải mái với chân tay giả, người bị trầm cảm tìm thấy niềm vui và những người cao tuổi vui vẻ hưởng thụ nốt cuộc sống của họ. Điều ấy thật tuyệt! 
     

    PC World VN, 07/2014
     

    ID: A1407_79