Nhiều BCI theo đuổi điện cực xuyên mô não: Precision trải film 20 µm lên bề mặt vỏ não

Một trong những đánh đổi khó nhất của brain-computer interface (BCI) là vị trí đặt điện cực. Đưa điện cực xuyên vào mô não có thể thu được tín hiệu rất gần các neuron, nhưng mỗi điểm xuyên cũng tạo thêm một giao diện cơ học với mô sống. Precision Neuroscience đang thử một hướng khác: thay vì đưa hàng nghìn điện cực vào trong vỏ não, hãng trải một lớp film điện tử cực mỏng lên bề mặt não.

Thiết bị của họ, Layer 7 Cortical Interface, là một mảng micro-electrocorticography (µECoG) gồm 1.024 kênh trên một lớp polymer dẻo dày khoảng 20 µm, tương đương khoảng một phần năm đường kính sợi tóc người. Nó không phải ý tưởng “đọc não từ bên ngoài hộp sọ”: film vẫn phải được đặt dưới màng cứng, trực tiếp trên bề mặt vỏ não. Khác biệt nằm ở chỗ các điện cực không xuyên xuống mô thần kinh.

Không phải cứ đến gần neuron hơn là luôn tốt hơn

BCI xâm lấn thường theo đuổi một mục tiêu dễ hiểu: đặt điện cực càng gần nguồn phát tín hiệu thì càng có cơ hội thu được hoạt động điện với độ phân giải cao. Các mảng điện cực xuyên mô có thể ghi tín hiệu rất cục bộ, thậm chí hoạt động liên quan tới những nhóm neuron nhỏ. Đổi lại, chúng tạo ra tổn thương cơ học tại vị trí xuyên và phải đối mặt với phản ứng mô quanh implant theo thời gian.

Electrocorticography đi theo cách khác. Điện cực nằm trên bề mặt vỏ não và ghi điện thế tổng hợp từ các quần thể neuron bên dưới. Tín hiệu vì thế không giống một bản ghi trực tiếp từ từng neuron, nhưng vẫn chứa nhiều thông tin về vận động, cảm giác và ngôn ngữ. ECoG đã được dùng trong thần kinh học lâm sàng từ lâu; điều Precision cố thay đổi là mật độ điện cực, diện tích phủ và cách đưa mảng điện cực vào não.

Trong nghiên cứu đăng trên Nature Biomedical Engineering, phiên bản Layer 7 dùng 1.024 kênh gồm 977 điện cực ghi có đường kính 50 µm, 42 điện cực tối ưu cho kích thích và 5 điện cực tham chiếu. Khoảng cách giữa các điện cực là 400 µm. Toàn bộ mảng được chế tạo trên nền polyimide mềm để có thể ôm theo bề mặt cong của não.

Một “tấm film” nhưng tạo ra lượng dữ liệu rất lớn

Điểm đáng chú ý của thiết kế không chỉ nằm ở độ mỏng. Mật độ điện cực cao cho phép hệ thống lấy mẫu hoạt động điện ở nhiều vị trí sát nhau trên bề mặt vỏ não. Trong cấu hình nghiên cứu, 1.024 kênh được lấy mẫu ở 20 kHz mỗi kênh, tạo ra khoảng 2 GB dữ liệu mỗi phút trước khi qua các bước xử lý tiếp theo.

Nhóm nghiên cứu cho thấy các điện cực cách nhau vài trăm micromet vẫn không ghi hoàn toàn cùng một tín hiệu, đặc biệt ở các dải tần cao. Khi họ cố tình giảm số điện cực đầu vào cho bài toán giải mã cảm giác ở động vật, độ chính xác giảm theo. Điều này gợi ý rằng tăng mật độ trên bề mặt não không chỉ tạo ra một bản đồ “đẹp hơn”; trong một số bài toán khó, nó thực sự bổ sung thông tin mà bộ giải mã có thể sử dụng.

Đó là điểm quan trọng đối với một BCI bề mặt. Nếu không thể đặt điện cực ngay cạnh từng neuron, hệ thống có thể bù lại một phần bằng cách phủ một vùng rộng hơn, lấy mẫu dày hơn và khai thác cấu trúc không gian của tín hiệu vỏ não.

Điểm mới còn nằm ở cách đưa film vào dưới hộp sọ

Precision phát triển một kỹ thuật gọi là cranial micro-slit: tạo một khe rất hẹp trên hộp sọ theo hướng gần tiếp tuyến với bề mặt não, sau đó luồn mảng film vào khoang dưới màng cứng bằng dụng cụ dẫn hướng và quan sát nội soi. Trong nghiên cứu tiền lâm sàng, các khe này rộng khoảng 500–900 µm. Nhóm đã thử kỹ thuật trên lợn Göttingen và đầu người hiến xác, đồng thời báo cáo có thể hoàn tất quy trình đặt mảng qua micro-slit trong dưới 20 phút.

Nhưng cần phân biệt rõ điều đã được chứng minh ở động vật và tử thi với điều đã được làm trên bệnh nhân sống. Năm bệnh nhân trong nghiên cứu Nature được ghi điện não trong lúc phẫu thuật thần kinh, nhưng các mảng được đặt sau khi bệnh nhân đã được mở sọ theo quy trình lâm sàng cần thiết cho ca mổ. Nghiên cứu đó chưa chứng minh rằng kỹ thuật micro-slit có thể thay thế craniotomy cho BCI cấy lâu dài ở người.

Dù vậy, dữ liệu ở người cho thấy film bề mặt có thể thu được tín hiệu có giá trị. Nhóm đã ghi hoạt động cảm giác-vận động và ngôn ngữ với 1.024 kênh trong thời gian thực. Một nghiên cứu khác công bố năm 2026 trên Neurosurgical Focus thử Layer 7 trong bốn bệnh nhân phẫu thuật mở sọ tỉnh. Mô hình phân loại bốn từ đạt độ chính xác 77,5%, còn bài toán phân loại hướng con trỏ bốn chiều đạt khoảng 78–84% trong điều kiện thử nghiệm nội phẫu.

Đổi độ sâu lấy khả năng phủ rộng và tính đảo ngược

Đặt điện cực trên bề mặt có một lợi thế cơ học rõ ràng: không cần xuyên hàng nghìn điểm vào mô não. Trong thử nghiệm trên lợn kéo dài tới 42 ngày, nhóm nghiên cứu báo cáo không thấy bằng chứng mô học về tổn thương vỏ não do mảng film và có thể tháo thiết bị bằng lực kéo nhẹ. Kết quả này hỗ trợ ý tưởng về một giao diện có thể tháo hoặc thay thế dễ hơn điện cực xuyên mô.

Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa surface BCI mặc nhiên an toàn hoặc tốt hơn trong mọi bài toán. Đặt thiết bị dưới màng cứng vẫn là phẫu thuật nội sọ. Film vẫn tiếp xúc trực tiếp với mô, vẫn phải giải quyết phản ứng sinh học, đóng gói điện tử, dây dẫn, nhiễu, độ bền vật liệu và nguy cơ nhiễm trùng. Quan trọng hơn, dữ liệu 42 ngày ở động vật chưa trả lời câu hỏi thiết bị sẽ hoạt động ra sao trong nhiều năm.

Cũng có một đánh đổi về loại tín hiệu. Điện cực xuyên mô có thể tiếp cận hoạt động rất cục bộ ở độ sâu mà điện cực bề mặt không thể chạm tới. Layer 7 chủ yếu nhìn vào hoạt động điện ở vỏ não gần bề mặt. Vì vậy đây không phải cách thay thế mọi implant thần kinh, mà là một kiến trúc phù hợp với những bài toán nơi tín hiệu cần thiết đã hiện diện đủ mạnh trên cortex.

FDA đã cho phép gì — và chưa cho phép gì?

Tháng 3/2025, FDA cấp 510(k) cho phiên bản Layer 7-T với chỉ định là điện cực vỏ não dùng tạm thời, dưới 30 ngày, để ghi, theo dõi và kích thích tín hiệu điện trên bề mặt não. Thiết bị có thể được đặt trong phẫu thuật mở hoặc qua burr hole.

Đây là một mốc quản lý quan trọng, nhưng không đồng nghĩa FDA đã chấp thuận một BCI không dây cấy vĩnh viễn cho người liệt điều khiển máy tính tại nhà. Chính Precision mô tả hệ BCI đầy đủ, hoàn toàn cấy ghép và không dây của mình là hệ thống đang được phát triển; công ty cũng ghi rõ BCI của họ vẫn là thiết bị nghiên cứu và chưa được bán như một hệ BCI thương mại hoàn chỉnh tại Mỹ.

Bài kiểm tra thực sự sẽ là implant lâu dài

Layer 7 cho thấy một điều đáng chú ý về hướng phát triển BCI: tăng băng thông không nhất thiết chỉ có một con đường là cắm nhiều điện cực hơn vào mô não. Một mảng bề mặt đủ mỏng, đủ dày kênh và phủ đủ rộng cũng có thể cung cấp lượng thông tin lớn cho các bộ giải mã vận động và ngôn ngữ.

Nhưng bước tiếp theo khó hơn nhiều so với một phiên ghi trong phòng mổ. Precision còn phải chứng minh tín hiệu ổn định trong thời gian dài, hệ điện tử cấy ghép hoạt động bền vững, quy trình phẫu thuật có thể lặp lại an toàn và — quan trọng nhất — lợi ích chức năng cho người dùng ngoài môi trường thử nghiệm. Nếu những phần đó được giải quyết, lợi thế của “film trên bề mặt” sẽ không nằm ở việc nó đọc được não mà điện cực xuyên mô không đọc được, mà ở khả năng đạt băng thông hữu ích với ít tổn thương mô hơn và một quy trình có thể dễ triển khai hơn.