Từ con chip 3x3mm tới chữ cái đầu tiên sau 20 năm mù lòa
Chip võng mạc nhân tạo kích thước 3x3mm tích hợp 320 kênh kích thích thần kinh là một thiết bị vi mạch cấy vào đáy mắt, nhận tín hiệu hình ảnh từ camera ngoài cơ thể, biến chúng thành xung điện nhân tạo để kích thích trực tiếp các tế bào thần kinh thị giác còn sống, qua đó tạo ra cảm nhận thị giác dạng đốm sáng cho bệnh nhân mù do tổn thương lớp cảm thụ ánh sáng trên võng mạc.
Điểm mấu chốt của công nghệ này không nằm ở chuyện tái tạo ngay thị lực như mắt lành, mà ở việc chứng minh: chỉ với vài milimet vuông vi mạch, não người có thể được “dạy” nhìn lại từ những tín hiệu nhân tạo. Một bệnh nhân mù vì thoái hóa võng mạc sắc tố suốt khoảng 20 năm đã nhận ra chữ L sáng trên màn hình chỉ sau hai ngày kích hoạt chip và huấn luyện ban đầu. Câu chuyện này cho thấy phục hồi thị lực không còn là khái niệm trừu tượng mà đã bước sang vùng thử nghiệm lâm sàng cụ thể, có thể đo được bằng ký tự, đường kẻ, bước chân trong phòng thí nghiệm.
Cơ chế kích thích thần kinh: từ camera trên kính tới 320 điện cực trong mắt
Về bản chất, hệ thống chip võng mạc nhân tạo của TS Trần Nhàn hoạt động như một cầu nối thần kinh thay thế lớp tế bào cảm thụ ánh sáng đã chết trên võng mạc. Camera gắn trên kính chuyên dụng ghi lại cảnh vật phía trước, bộ xử lý chuyển hình ảnh thành các mẫu xung điện, rồi truyền không dây xuyên qua lớp mô mắt dày khoảng 2 cm tới con chip 3x3mm cấy ở đáy mắt. Tại đây, 320 điện cực siêu nhỏ, cách nhau chừng 100 micromet, lần lượt kích thích những tế bào thần kinh còn hoạt động, để tín hiệu tiếp tục đi theo dây thần kinh thị giác lên não.
Điều quan trọng cần nhấn mạnh: chip không cố gắng bắt chước hoàn hảo cách mắt khỏe mạnh biến ánh sáng thành xung điện. Nó tạo ra một loại “đầu vào nhân tạo” để hệ thần kinh thị giác có thể chấp nhận và não buộc phải học cách diễn giải. Vì vậy, bệnh nhân không thấy cảnh vật sắc nét, có chiều sâu, màu sắc như người bình thường mà chỉ là những đốm sáng lập lòe – các phosphenes – tương ứng với mẫu kích thích điện. Thị giác mới này giống như một ngôn ngữ ánh sáng hoàn toàn khác, và quá trình phục hồi thị lực chính là hành trình học ngôn ngữ đó.
Độ khó của con chip 3x3mm và bước tiến của công nghệ y tế
Đằng sau ca thử nghiệm thành công là một bài toán công nghệ y tế cực khó: nhét 320 kênh kích thích thần kinh độc lập, cuộn dây thu năng lượng và bộ truyền nhận dữ liệu hai chiều vào một con chip không vượt quá 3x3mm – đủ nhỏ để đi qua vết mổ mắt chỉ khoảng 4mm. Nhóm của TS Trần Nhàn buộc phải sử dụng công nghệ bán dẫn 65 nm để thu nhỏ mạch, chấp nhận mức điện áp thấp hơn nhiều so với các thế hệ chip cũ.
Thêm vào đó là yêu cầu sinh học: điện cực phải siêu mỏng, bền trong môi trường dịch mắt, nhưng vẫn truyền chính xác xung kích thích thần kinh. Khi nguồn cung cấp điện cực từ bên ngoài không đáp ứng được, nhóm kỹ sư đã tự đầu tư máy móc để sản xuất điện cực ba chiều. Theo một báo cáo khoa học, thiết bị tích hợp 320 kênh kích thích thần kinh trong module 3x3mm đã trở thành tâm điểm của thử nghiệm công nghệ y sinh gây chú ý. Thực chất, mỗi điện cực là một “pixel thần kinh” và càng tăng số điện cực, tiềm năng tăng độ phân giải thị giác nhân tạo càng lớn – đây là hướng đi cốt lõi nếu muốn phục hồi thị lực đến mức hữu dụng trong đời sống.
Hơn một thập kỷ vi mạch và bước ngoặt trên bàn mổ
Thành công bước đầu với bệnh nhân mù không phải chuyện vài năm thử nghiệm mà là kết quả của hơn một thập kỷ chinh chiến trong ngành vi mạch kích thích thần kinh. TS Trần Nhàn bắt đầu với các dự án võng mạc nhân tạo tại một trường đại học lớn ở Australia, nơi ông tham gia thiết kế các bộ điều khiển điện cực cho hệ thống có thể lên tới hàng nghìn điện cực. Khi chương trình nghiên cứu quy mô quốc gia tại đây dừng lại vì rào cản kỹ thuật và chi phí, ông cùng cộng sự chuyển sang Hàng Châu, lập nên một startup công nghệ tập trung vào vi mạch y sinh và chip võng mạc.
Giai đoạn hậu đại dịch, công ty đối mặt áp lực tài chính, nhà đầu tư chỉ tiếp tục rót vốn nếu thiết bị chứng minh được hiệu quả trên cơ thể người. Ngay cả ca thử nghiệm lâm sàng đầu tiên cũng suýt đổ vỡ khi bệnh nhân tình nguyện ban đầu rút lui. Cuối cùng, một phụ nữ 40 tuổi mù vì thoái hóa võng mạc sắc tố đã đồng ý cấy ghép, mở ra bước ngoặt: sau hai tuần phẫu thuật và hai ngày kích hoạt, cô nhận ra chữ L; sau đó phân biệt C, H, R, viết được hai chữ, định vị chuột máy tính và bước theo vạch trắng trong phòng thí nghiệm. Ở góc độ phục hồi thị lực, những bước đi chập chững này quan trọng hơn bất cứ bản thuyết trình công nghệ nào.
Triển vọng phục hồi thị lực: kỳ vọng nào là thực tế?
Điều cần nói thẳng: công nghệ hiện tại còn rất xa mục tiêu khôi phục thị lực tự nhiên với độ phân giải cao và màu sắc đầy đủ. Chip võng mạc nhân tạo mới chỉ tạo ra được các tín hiệu thị giác nhân tạo, ở dạng đốm sáng thô sơ mà não cần nhiều thời gian để học cách ghép nối thành đường viền, chữ cái, vật cản. Thế nhưng, nếu nhìn từ góc độ chất lượng sống, việc một bệnh nhân mù có thể nhận biết chữ, định vị chuột máy tính và tự lần theo vạch chỉ dẫn trong không gian kín đã là bước nhảy lớn hướng đến phục hồi thị lực chức năng – thứ thị lực đủ để tăng khả năng tự lập, chứ không phải “thay mắt” hoàn toàn.
Trên thế giới, cuộc đua phục hồi thị lực nhân tạo đang diễn ra theo nhiều hướng: từ cấy chip lên vỏ não, cấy vào thần kinh thị giác cho tới kích thích trực tiếp võng mạc như hệ thống này. Hướng chip võng mạc 3x3mm có ưu thế quan trọng: nó mượn lại đường truyền tự nhiên của dây thần kinh thị giác, ít xâm lấn hơn não bộ và tận dụng được khả năng học hỏi của người bệnh. "Công nghệ hiện tại vẫn còn rất xa mục tiêu khôi phục thị lực tự nhiên, song việc một thiết bị chỉ vài milimet có thể tạo ra tín hiệu để não bắt đầu nhận diện ký tự cho thấy ranh giới giữa vi mạch và y sinh đang ngày càng thu hẹp". Nếu duy trì được đà tiến bộ về số lượng điện cực, độ an toàn dài hạn và thuật toán mã hóa xung kích thích thần kinh, triển vọng phục hồi thị lực cho hàng triệu bệnh nhân mù vì bệnh lý võng mạc không còn là câu hỏi “có hay không”, mà là “sớm hay muộn”.
