Brain implant thường chỉ làm một vài việc: Sợi polymer mới vừa ghi tín hiệu, dẫn ánh sáng và đưa thuốc qua nhiều lớp não

Một điện cực cắm vào não có thể nghe hoạt động điện. Một optical fiber có thể đưa ánh sáng xuống mô sâu. Một cannula có thể bơm thuốc. Vấn đề là khi nhà nghiên cứu muốn làm cả ba việc ở cùng một vị trí và cùng một thời điểm, họ thường phải đưa nhiều thiết bị vào não hoặc chấp nhận rằng mỗi probe chỉ làm được một phần công việc.

Một nhóm tại Technical University of Denmark (DTU), University of Copenhagen, University College London và các đối tác đã thử gộp ba chức năng đó vào một sợi polymer duy nhất. Thiết bị mang tên microfluidic Axialtrode, hay mAxialtrode, có thể ghi tín hiệu điện ở nhiều độ sâu, dẫn ánh sáng cho optogenetics và chuyển chất lỏng qua các vi kênh tới những vị trí khác nhau dọc theo trục cắm. Nghiên cứu được công bố trên Advanced Science ngày 21/1/2026.

Chi tiết cần nói chính xác là mAxialtrode không tự tạo ánh sáng. Ánh sáng xanh hoặc đỏ đến từ nguồn bên ngoài rồi được dẫn qua lõi quang của implant. Tương tự, thuốc được đẩy từ syringe pump bên ngoài. Cái mới nằm ở việc một probe mềm dưới nửa milimet có thể đưa các chức năng điện, quang và vi lưu tới nhiều lớp não mà không cần di chuyển implant qua lại.

Điểm yếu của nhiều fiber implant nằm ngay ở chiếc đầu phẳng

Optical fiber là công cụ quen thuộc trong optogenetics vì nó có thể đưa ánh sáng xuống những vùng não sâu mà chiếu từ bên ngoài không thể tiếp cận. Nhưng fiber thông thường được cắt phẳng ở đầu. Ánh sáng, electrode hoặc cửa fluidic nếu có thường tập trung gần distal tip — điểm cuối của sợi.

Điều đó trở nên bất tiện khi mạch thần kinh trải theo chiều sâu. Cortex và hippocampus, chẳng hạn, có thể cùng tham gia một quá trình nhưng nằm ở các mức khác nhau. Muốn ghi nhiều lớp với một đầu phẳng, nhà nghiên cứu có thể cần nhiều probe, một electrode array riêng hoặc phải dịch chuyển thiết bị theo chiều dọc.

mAxialtrode xử lý bài toán này bằng một thay đổi hình học đơn giản: cắt đầu fiber theo góc xiên. Khi các cấu trúc chức năng vốn chạy song song bên trong sợi gặp một mặt cắt nghiêng, cửa ra của chúng không còn nằm trên cùng một mặt phẳng. Thay vào đó, chúng xuất hiện lần lượt ở những vị trí khác nhau dọc theo trục của probe.

Với đầu cắt 15°, khoảng cách giữa điện cực cao nhất và thấp nhất có thể đạt khoảng 900 ± 10 µm, đủ để nhóm đặt một số electrode trong cortex và số khác xuống hippocampus trong cùng một lần cắm.

Một lõi quang ở giữa, tám vi kênh chạy quanh nó

Thiết bị được chế tạo bằng thermal drawing, kỹ thuật bắt đầu với một preform kích thước lớn rồi nung và kéo nó thành fiber dài mà vẫn giữ gần như cùng hình học mặt cắt ở kích thước nhỏ hơn. Cách này cho phép sản xuất hàng chục đến hàng trăm mét fiber từ một lần kéo thay vì microfabricate từng probe riêng lẻ.

Nhóm dùng polycarbonate (PC) làm lõi quang và PMMA làm lớp cladding. Fiber hoàn chỉnh có đường kính khoảng 420–440 µm; lõi PC rộng khoảng 200 µm. Bao quanh lõi là tám microfluidic channel, mỗi kênh có đường kính khoảng 20 µm.

Những channel này có thể giữ vai trò khác nhau. Nếu luồn dây tungsten 20 µm vào một kênh rồi để đầu dây lộ ra trên mặt cắt xiên, nó trở thành electrode ghi tín hiệu. Những channel còn trống có thể dẫn chất lỏng. Một cấu hình của nhóm hỗ trợ tối đa tám electrode để thu hoạt động điện ở nhiều độ sâu.

Lõi quang dẫn được cả ánh sáng xanh 470 nm và đỏ 650 nm, tương thích với nhiều opsin dùng trong optogenetics. Trong thí nghiệm kích thích, nguồn là một LED 470 nm ở bên ngoài; ánh sáng được ghép vào fiber và đạt công suất khoảng 1,4 mW tại đầu probe.

Probe đã phân biệt tín hiệu cortex và hippocampus trên chuột sống

Để kiểm tra chức năng ghi điện, nhóm cắm mAxialtrode đầu 15° sao cho ba electrode phía dưới đi tới hippocampus còn ba electrode phía trên nằm trong cortex. Trong bốn con chuột, họ ghi được hoạt động ở nhiều kênh và thấy theta rhythm 4–10 Hz mạnh hơn ở các electrode nằm trong hippocampus so với cortex — phù hợp với đặc điểm đã biết của hai vùng này.

Đây là điểm khác với việc chỉ nói probe “có nhiều electrode”. Nhóm cho thấy vị trí theo chiều sâu thực sự tạo ra thông tin khác nhau trong não sống, thay vì mọi channel chỉ ghi cùng một nguồn tín hiệu.

Trong một thí nghiệm khác, họ biểu hiện channelrhodopsin-2 trong visual cortex của chuột rồi đưa ánh sáng xanh qua chính fiber này. Các electrode tích hợp đồng thời ghi lại thay đổi firing liên quan kích thích quang. Nói cách khác, cùng một thân implant vừa đưa tác động vào mô vừa theo dõi đáp ứng điện.

“Đường dẫn thuốc” là tám ống siêu nhỏ nằm ngay trong fiber

Phần microfluidic không chỉ dùng để nói rằng thiết bị có một lỗ rỗng. Nhóm đo áp suất và lưu lượng trong các channel, rồi kiểm tra khả năng đưa hai chất lỏng ra ở hai độ sâu khác nhau.

Ở lưu lượng dưới 5 µL/phút, áp suất tích tụ trong kênh nhỏ hơn 0,1 bar. Ở những tốc độ dưới 1 µL/phút — mức thường gặp trong các thí nghiệm tiêm viral vector — lưu lượng đầu ra bám sát lưu lượng bơm vào.

Với đầu xiên, hai cửa microfluidic cách nhau theo chiều sâu có thể tạo vùng phân phối trải tới khoảng 2,7 mm trong thử nghiệm bằng chất màu trên brain phantom. Fiber đầu phẳng với cùng tổng thể tích chỉ đạt khoảng 1,27 mm theo phép đo của nhóm. Con số 2,7 mm vì vậy nên được hiểu là demonstration hình học của khả năng phân phối theo chiều sâu, không phải bằng chứng rằng một thuốc điều trị đã được phân bố chính xác 2,7 mm trong não người.

“Mềm” không có nghĩa nhỏ như một sợi tóc

DTU mô tả implant là needle-thin, và điều đó hợp lý khi so với nhiều dụng cụ phẫu thuật. Nhưng đường kính 420–440 µm của nó vẫn lớn hơn đáng kể một sợi tóc người điển hình và lớn hơn nhiều silicon shank hiện đại ở một chiều. Lợi thế chính không chỉ đến từ kích thước mà từ độ mềm cơ học của polymer so với silicon hoặc silica cứng.

Nhóm so phản ứng microglia sau bốn tuần giữa mAxialtrode đầu 15° và một polymer fiber cùng đường kính nhưng đầu phẳng. Tín hiệu Iba1 quanh probe xiên thấp hơn, phù hợp với giả thuyết rằng đầu nhọn và thể tích mô bị chiếm chỗ nhỏ hơn gây ít phản ứng hơn. Tuy nhiên, phép so sánh dùng số động vật nhỏ và giá trị p được báo cáo là 0,0547 — sát nhưng chưa dưới ngưỡng 0,05 thường dùng. Vì vậy kết quả nên được xem là một xu hướng có triển vọng, chưa phải bằng chứng mạnh rằng implant chắc chắn gây ít viêm hơn.

Đây chưa phải BCI điều trị bệnh nhân

mAxialtrode hiện là một công cụ nghiên cứu thần kinh trên động vật. Các thí nghiệm in vivo trong paper được thực hiện trên chuột; nhiều phép đo là acute experiment kéo dài khoảng 1–2 giờ. Phần đánh giá mô kéo dài bốn tuần chỉ nhằm xem phản ứng mô quanh implant, chưa chứng minh độ tin cậy điện–quang–fluidic trong nhiều tháng hoặc nhiều năm.

Thiết bị cũng còn phụ thuộc vào phần cứng bên ngoài: LED hoặc laser để cung cấp ánh sáng, hệ electrophysiology để thu tín hiệu và syringe pump để bơm chất lỏng. Cụm scaffold trên đầu chuột nặng khoảng 0,25–0,6 g tùy thiết kế. Một thiết bị lâm sàng sẽ phải thu nhỏ connector, làm kín đường fluidic, giải quyết nguy cơ tắc kênh, kiểm soát liều thuốc và chứng minh tính tương thích sinh học dài hạn.

Optogenetics đặt thêm một rào cản riêng: neuron phải biểu hiện protein nhạy sáng như ChR2. Trong chuột nghiên cứu, điều này được thực hiện bằng viral vector. Với người, gene delivery vào não đưa ra những yêu cầu an toàn và regulatory hoàn toàn khác, nên việc một probe dẫn được ánh sáng không đồng nghĩa phần optogenetic đã sẵn sàng điều trị.

Điểm mới thực sự là đưa ba “ngôn ngữ” của neuroscience lên cùng một trục

Neural interface thường được nghĩ theo hai chiều: đọc điện từ neuron và kích thích chúng bằng điện. Nhưng hoạt động não còn chịu điều khiển bởi hóa học, và optogenetics cho phép nhắm loại tế bào cụ thể bằng ánh sáng. Khi ba modality này cần cùng xuất hiện trong một thí nghiệm, việc co-localize chúng trong mô là một vấn đề kỹ thuật thực sự.

mAxialtrode không phải implant đầu tiên trên thế giới kết hợp điện, quang và fluidics. Multifunctional neural fibers đã tồn tại hơn một thập kỷ. Điểm riêng của công trình này là dùng mặt cắt xiên để trải các giao diện chức năng theo chiều sâu, nhờ đó một fiber duy nhất có thể tương tác với nhiều lớp não mà không phải tái định vị trong quá trình đo.

Với nghiên cứu epilepsy, điều này đặc biệt hấp dẫn vì một seizure có thể lan qua những mạng nằm ở nhiều vùng và nhiều độ sâu. Về nguyên tắc, cùng một probe có thể ghi sự lan truyền điện, dùng ánh sáng để perturb một population neuron và đưa một hợp chất vào một vị trí khác. Nhưng paper chưa trình diễn một closed-loop therapy tự động phát hiện seizure rồi tự chọn ánh sáng hay thuốc để dập nó.

Bước tiếp theo vì thế không phải chứng minh rằng ba chức năng có thể cùng nằm trong một fiber — paper đã làm được điều đó — mà là chứng minh chúng hoạt động ổn định khi cấy lâu dài, với nhiều channel hơn, connector nhỏ hơn và mô hình bệnh phức tạp hơn. Chỉ sau đó mới có thể đánh giá liệu một kiến trúc như mAxialtrode có đi từ dụng cụ neuroscience sang neurotechnology dùng cho bệnh nhân hay không.

Nghiên cứu: Kunyang Sui, Neela K. Codadu, Daman Rathore và cộng sự, “Multimodal Layer-Crossing Interrogation of Brain Circuits Enabled by Microfluidic Axialtrodes”, Advanced Science, 2026, DOI: 10.1002/advs.202519744. DTU công bố hình minh họa và phần giải thích dành cho công chúng về thiết bị.