Brain implant thường chỉ nghe hoặc kích thích neuron: Sợi mềm mảnh như kim mới vừa đọc tín hiệu, chiếu sáng và bơm thuốc vào não

Một implant đặt sâu trong não thường phải đánh đổi giữa nhiều nhiệm vụ: điện cực dùng để nghe hoạt động điện, sợi quang đưa ánh sáng vào mô, còn thuốc lại cần một đường dẫn chất lỏng riêng. Càng muốn đo và tác động lên nhiều lớp não, số đầu dò và số lần can thiệp càng dễ tăng lên.

Một nhóm nghiên cứu tại Technical University of Denmark (DTU), University of Copenhagen và University College London đã thử gom ba chức năng đó vào một sợi duy nhất. Thiết bị có tên microfluidic Axialtrode, hay mAxialtrode, là một sợi polymer mềm có đường kính dưới nửa milimet, bên trong chứa lõi dẫn sáng, tám vi kênh và các dây kim loại cực mảnh để thu tín hiệu điện.

Điểm khác thường không chỉ nằm ở việc nhét nhiều chức năng vào cùng một sợi. Bằng cách cắt đầu sợi theo một góc nhỏ thay vì để phẳng, nhóm nghiên cứu phân bố các vị trí ghi điện và cửa ra của vi kênh dọc theo chiều sâu implant. Một lần cắm vì thế có thể tiếp cận nhiều lớp não cùng lúc thay vì chỉ làm việc ở phần chóp.

Nghiên cứu được công bố trên Advanced Science ngày 21/1/2026. Trong các thử nghiệm trên chuột, nhóm đã ghi hoạt động điện từ cả vùng vỏ não và hippocampus, kích thích neuron bằng ánh sáng, đồng thời chứng minh khả năng đưa chất lỏng tới các độ sâu khác nhau. Đây vẫn là một công cụ nghiên cứu thần kinh ở giai đoạn tiền lâm sàng, chưa phải brain implant dành cho bệnh nhân.

Vấn đề của một sợi quang có đầu phẳng

Sợi quang đã được dùng nhiều năm trong nghiên cứu thần kinh, đặc biệt với optogenetics — kỹ thuật làm một số neuron biểu hiện protein nhạy sáng rồi dùng ánh sáng để kích hoạt hoặc ức chế chúng. Thiết kế thông thường đưa ánh sáng ra ở đầu xa nhất của sợi, tức phần chóp nằm trong não.

Cách đó phù hợp khi nhà nghiên cứu chỉ quan tâm tới một vị trí. Nhưng các mạch thần kinh thực tế thường kéo dài qua nhiều lớp và nhiều cấu trúc. Mạng liên quan đến động kinh, chẳng hạn, có thể bao gồm cả vùng vỏ và những vùng sâu hơn như hippocampus. Muốn quan sát hai độ sâu cùng lúc bằng đầu dò truyền thống có thể cần nhiều điện cực, nhiều sợi hoặc phải di chuyển đầu dò.

mAxialtrode thay đổi hình học của chính đầu sợi. Thay vì cắt vuông 90 độ, nhóm thử các góc 45, 30 và 15 độ. Ở cấu hình 15 độ dùng cho phần lớn thử nghiệm in vivo, khoảng cách dọc giữa các điện cực cao nhất và thấp nhất đạt khoảng 900 ± 10 micromet và có thể vượt 1 mm tùy cấu hình.

Việc cắt xiên cũng làm giảm thể tích phần chóp phải chiếm chỗ trong mô so với một đầu phẳng cùng đường kính. Nhóm cho rằng điều này vừa giảm nén mô khi cắm vừa giúp sợi polymer mềm tránh bị oằn trong lúc đưa vào não.

Một lõi quang, tám kênh nhỏ và dây tungsten

Thiết bị bắt đầu không giống một chiếc kim. Nhóm chế tạo một preform polymer kích thước lớn rồi nung nóng và kéo dài bằng kỹ thuật thermal drawing, tương tự cách sản xuất sợi quang. Khi tiết diện thu nhỏ hàng chục lần, cấu trúc bên trong vẫn giữ hình học tương đối của nó.

Lõi quang được làm từ polycarbonate và phần cladding từ PMMA. Phiên bản được báo cáo có lõi quang khoảng 200 micromet, bao quanh bởi tám kênh rỗng chạy dọc sợi. Toàn bộ sợi hoàn thiện có đường kính khoảng 420–440 micromet, tức nhỏ hơn nửa milimet.

Các kênh này có hai vai trò. Chúng có thể trở thành đường dẫn chất lỏng cho microfluidics, hoặc chứa dây tungsten cực mảnh để tạo các điểm ghi điện sinh lý. Nhờ đó, cùng một thân sợi có thể mang ánh sáng, tín hiệu điện và chất lỏng mà không cần ghép ba đầu dò riêng biệt.

Phía ngoài não vẫn cần phần cứng hỗ trợ. Nhóm dùng scaffold in 3D để nối implant với nguồn sáng, hệ ghi điện và syringe pump. Vì vậy, đây chưa phải một implant không dây tự vận hành; “bơm thuốc” trong thí nghiệm thực chất là dẫn chất lỏng qua vi kênh bằng bơm bên ngoài.

Đầu xiên biến một điểm thành nhiều độ sâu

Ý tưởng “axial” nằm ở cách các cấu trúc bên trong lộ ra sau khi sợi được cắt xiên. Nếu cắt phẳng, tám kênh và lõi quang kết thúc gần như trên cùng một mặt cắt. Khi cắt theo góc nhỏ, các kênh nằm ở những vị trí khác nhau quanh lõi sẽ mở ra tại các độ cao khác nhau dọc trục sợi.

Hiệu ứng tương tự xảy ra với các dây điện cực. Thay vì tám điểm ghi nằm gần cùng một lớp mô, chúng trải dọc theo đường xiên. Nhóm có thể vì thế đặt một số điện cực trong cortex và số khác sâu hơn ở hippocampus, rồi thu tín hiệu đồng thời.

Trong một thí nghiệm, các điện cực phía dưới ở hippocampus ghi theta rhythm mạnh hơn các điện cực phía trên nằm ở cortex. Điều này cho thấy sợi không chỉ có nhiều kênh điện về mặt thiết kế mà thực sự phân biệt được động lực điện sinh lý ở các vùng sâu khác nhau.

Vừa ghi tín hiệu, vừa kích thích bằng ánh sáng

Để thử khả năng optogenetics, nhóm cho neuron trong visual cortex của chuột biểu hiện channelrhodopsin-2, một protein nhạy ánh sáng xanh. Ánh sáng 470 nm với công suất đo tại đầu sợi khoảng 1,4 mW được phát theo xung 10 Hz, trong khi các điện cực tích hợp đồng thời ghi hoạt động thần kinh.

Việc kết hợp ánh sáng và điện cực trong cùng một sợi có một vấn đề kỹ thuật: ánh sáng có thể tạo ra photoelectric artifact trên điện cực, tức tín hiệu giả không đến từ neuron. Paper ghi nhận artifact rõ hơn ở vùng tần số thấp trên một số điện cực gần phần quang học. Nhóm cho biết thành phần này có thể được loại bỏ bằng lọc thông cao khi phân tích action potential, nhưng đây vẫn là yếu tố phải xử lý cẩn thận khi diễn giải tín hiệu.

Nhóm cũng thử cả ánh sáng đỏ ở bước sóng 650 nm. Việc một sợi polymer có thể dẫn nhiều bước sóng giúp nó phù hợp với các opsin khác nhau, dù vật liệu polymer của thiết bị có suy hao đáng kể trong một số vùng phổ và chiều dài implant phải được giữ tương đối ngắn.

Thuốc có thể ra ở hai độ sâu cách nhau 2,7 mm

Chức năng thứ ba của mAxialtrode là microfluidics. Nhóm bơm hai chất có màu khác nhau qua những kênh nằm ở hai đầu của mặt cắt xiên để quan sát vùng khuếch tán.

Khoảng cách theo chiều sâu giữa hai vùng đưa chất có thể đạt tới 2,7 mm. Với sợi đầu phẳng và cùng tổng thể tích bơm, phạm vi tương ứng trong thí nghiệm là 1,27 mm. Khác biệt này đến từ việc cửa ra của các vi kênh trên mAxialtrode đã được trải dọc trục thay vì nằm gần nhau ở chóp.

Trong bài báo, phần này chủ yếu là bằng chứng cho khả năng đưa chất tới các vị trí khác nhau, không phải thử nghiệm điều trị một bệnh. Nói cách khác, nghiên cứu chứng minh kiến trúc có thể phân phối chất lỏng theo độ sâu; nó chưa chứng minh một loại thuốc cụ thể có hiệu quả điều trị khi sử dụng qua implant này.

Mềm hơn không có nghĩa là đã giải xong phản ứng viêm

Một trong những lý do nhóm chọn polymer thay vì silicon hoặc thủy tinh cứng là độ mềm. Não chuyển động rất nhỏ theo nhịp mạch, hô hấp và chuyển động cơ thể; một implant cứng tạo ra chênh lệch cơ học lớn hơn với mô xung quanh, có thể thúc đẩy foreign-body response theo thời gian.

Nhóm so sánh mAxialtrode đầu 15 độ với sợi polymer đầu phẳng có cùng vật liệu và đường kính. Sau bốn tuần cấy trên chuột, họ nhuộm Iba1 để đánh giá phản ứng microglia quanh vị trí implant. mAxialtrode cho tín hiệu viêm thấp hơn về trung bình, nhưng khác biệt so với đầu phẳng có giá trị p = 0,0547 — sát nhưng không vượt ngưỡng thống kê 0,05 thường dùng.

Chi tiết này đáng chú ý vì nó đặt giới hạn cho cách diễn giải. Có dấu hiệu rằng chóp xiên và thể tích nhỏ hơn có thể làm phản ứng mô nhẹ hơn, nhưng mẫu thử chronic biocompatibility rất nhỏ: hai con chuột cho mỗi nhóm implant, cùng hai con làm đối chứng. Kết quả cần được xác nhận trên số lượng lớn hơn và thời gian dài hơn trước khi có thể nói tới ưu thế sinh học bền vững.

Từ công cụ nghiên cứu tới implant cho người còn một khoảng dài

DTU cho biết nhóm đang bảo hộ sáng chế và xem xét những gì cần thiết để tiến tới thử nghiệm lâm sàng. Các tác giả cũng nhắc tới những hướng như điều khiển không dây, cảm biến thời gian thực và closed-loop neuromodulation trong các thế hệ sau.

Nhưng phiên bản hiện tại còn phụ thuộc vào nguồn sáng, hệ thu tín hiệu và bơm ngoài; thử nghiệm điện sinh lý chủ yếu diễn ra trên chuột; dữ liệu đáp ứng mô mới kéo dài bốn tuần và số mẫu nhỏ. Trước khi một cấu trúc tương tự có thể trở thành implant điều trị động kinh hoặc các bệnh thần kinh khác ở người, nhóm còn phải chứng minh độ bền, độ ổn định tín hiệu, khả năng tiệt trùng, an toàn vật liệu, tương thích với chuyển động lâu dài của não và quy trình phẫu thuật lặp lại được.

Điều mAxialtrode đã chứng minh ở thời điểm này hẹp hơn nhưng hữu ích: một sợi polymer dưới nửa milimet có thể trở thành cả dây quang, điện cực đa điểm và đường dẫn chất lỏng, với các giao diện được trải qua nhiều lớp não nhờ một thay đổi hình học đơn giản ở phần chóp. Bước tiếp theo không phải nhét thêm chức năng vào sợi, mà là xác định liệu ba chức năng hiện có có thể hoạt động ổn định cùng nhau trong những thí nghiệm dài hạn và cuối cùng trong một môi trường lâm sàng hay không.