Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Harvard đã phát triển thành công một chip bán dẫn oxit kim loại bổ sung (CMOS) với 4.096 vi điện cực, có khả năng ghi lại hoạt động điện của nhiều tế bào thần kinh. Theo Nature, con chip này đã giúp các nhà khoa học vẽ bản đồ 2.000 tế bào thần kinh ở chuột và truy dấu hơn 70.000 kết nối thần kinh. Đặc biệt, con chip này không chỉ đo cường độ tín hiệu của mỗi kết nối mà còn có thể phân loại loại tín hiệu.
(Image credit: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
Dấu mốc quan trọng trong nghiên cứu thần kinh học
Đây là một bước tiến đột phá trong lĩnh vực thần kinh học, giúp các nhà khoa học mô tả chính xác từng chi tiết của các kết nối thần kinh trong não. Trước đây, kính hiển vi điện tử có thể quan sát các kết nối synapse, nhưng lại không thể đo lường và ghi lại quá trình truyền tín hiệu. Trong khi đó, điện cực kẹp màng (patch-clamp electrode) có thể ghi lại chính xác các tín hiệu thần kinh yếu, nhưng chỉ giới hạn ở một số lượng nhỏ tế bào, khiến nó không phù hợp để nghiên cứu hệ thần kinh quy mô lớn.
Trái: Chip silicon được đóng gói với một mảng điện cực vi lỗ ở phía trên.
Phải: Một tế bào thần kinh nằm trên mảng điện cực vi lỗ (trong quá trình ghi thực tế, các tế bào thần kinh được sắp xếp dày đặc hơn nhiều).
(Nguồn ảnh: Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson, Đại học Harvard)
Mở rộng nghiên cứu về thần kinh
Với con chip CMOS mới này, các nhà nghiên cứu hiện có thể nghiên cứu tương tác giữa số lượng lớn tế bào thần kinh, từ đó hiểu rõ hơn về các quá trình tư duy và học tập. Mỗi vi điện cực hoạt động tương tự như một điện cực kẹp màng, và bằng cách tích hợp hơn 4.000 điện cực trên cùng một chip, nhóm nghiên cứu có thể giám sát hàng nghìn tế bào thần kinh một cách hiệu quả.
“So với công nghệ điện cực nano trụ thẳng đứng được phát triển vào năm 2020, vi điện cực trên chip này không chỉ kết nối tốt hơn với môi trường nội bào mà còn dễ sản xuất hơn,” nghiên cứu viên Vương Quân (Jun Wang) chia sẻ. “Tính dễ sử dụng cũng là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi.”
Nhóm nghiên cứu đã giám sát hơn 3.600 tế bào thần kinh ở chuột với tỷ lệ thành công lên đến 90% bằng 4.096 vi điện cực. Ngoài ra, họ cũng đã ghi lại hơn 70.000 kết nối thần kinh, cao hơn 200 lần so với kỷ lục trước đây (chỉ 300 kết nối).
Thách thức và triển vọng tương lai
Dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng việc lập bản đồ não người vẫn còn là một thử thách lớn. Bộ não con người có khoảng 86 tỷ tế bào thần kinh, mỗi tế bào trung bình có 35 kết nối, dẫn đến ít nhất 3,01 nghìn tỷ kết nối synapse.
“Thách thức lớn nhất sau khi đạt được ghi nhận nội bào song song quy mô lớn là phân tích lượng dữ liệu khổng lồ,” theo Hàn Đông Hách (Donhee Ham), một thành viên của nhóm nghiên cứu. “Chúng tôi đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc trích xuất thông tin từ dữ liệu này, đặc biệt là về các kết nối synapse. Hiện tại, chúng tôi đang tập trung phát triển một thiết kế có thể áp dụng cho nghiên cứu não bộ trong cơ thể sống.”
Nếu công nghệ này có thể vẽ bản đồ kết nối thần kinh trong não sống, nó có thể mở ra nhiều đột phá công nghệ. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm đào tạo trí tuệ nhân tạo (AI), giúp phát triển các chip AI mạnh mẽ hơn nhưng tiêu thụ ít điện năng hơn. Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể tạo bước ngoặt trong nghiên cứu sức khỏe tâm thần, giúp các nhà khoa học hiểu cách hoạt động (hoặc rối loạn) của các kết nối synapse ảnh hưởng đến nhận thức và hành vi của con người.
(Image credit: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)
Dấu mốc quan trọng trong nghiên cứu thần kinh học
Đây là một bước tiến đột phá trong lĩnh vực thần kinh học, giúp các nhà khoa học mô tả chính xác từng chi tiết của các kết nối thần kinh trong não. Trước đây, kính hiển vi điện tử có thể quan sát các kết nối synapse, nhưng lại không thể đo lường và ghi lại quá trình truyền tín hiệu. Trong khi đó, điện cực kẹp màng (patch-clamp electrode) có thể ghi lại chính xác các tín hiệu thần kinh yếu, nhưng chỉ giới hạn ở một số lượng nhỏ tế bào, khiến nó không phù hợp để nghiên cứu hệ thần kinh quy mô lớn.
Trái: Chip silicon được đóng gói với một mảng điện cực vi lỗ ở phía trên.
Phải: Một tế bào thần kinh nằm trên mảng điện cực vi lỗ (trong quá trình ghi thực tế, các tế bào thần kinh được sắp xếp dày đặc hơn nhiều).
(Nguồn ảnh: Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson, Đại học Harvard)
Với con chip CMOS mới này, các nhà nghiên cứu hiện có thể nghiên cứu tương tác giữa số lượng lớn tế bào thần kinh, từ đó hiểu rõ hơn về các quá trình tư duy và học tập. Mỗi vi điện cực hoạt động tương tự như một điện cực kẹp màng, và bằng cách tích hợp hơn 4.000 điện cực trên cùng một chip, nhóm nghiên cứu có thể giám sát hàng nghìn tế bào thần kinh một cách hiệu quả.
“So với công nghệ điện cực nano trụ thẳng đứng được phát triển vào năm 2020, vi điện cực trên chip này không chỉ kết nối tốt hơn với môi trường nội bào mà còn dễ sản xuất hơn,” nghiên cứu viên Vương Quân (Jun Wang) chia sẻ. “Tính dễ sử dụng cũng là một yếu tố quan trọng trong nghiên cứu của chúng tôi.”
Nhóm nghiên cứu đã giám sát hơn 3.600 tế bào thần kinh ở chuột với tỷ lệ thành công lên đến 90% bằng 4.096 vi điện cực. Ngoài ra, họ cũng đã ghi lại hơn 70.000 kết nối thần kinh, cao hơn 200 lần so với kỷ lục trước đây (chỉ 300 kết nối).
Thách thức và triển vọng tương lai
Dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng việc lập bản đồ não người vẫn còn là một thử thách lớn. Bộ não con người có khoảng 86 tỷ tế bào thần kinh, mỗi tế bào trung bình có 35 kết nối, dẫn đến ít nhất 3,01 nghìn tỷ kết nối synapse.
“Thách thức lớn nhất sau khi đạt được ghi nhận nội bào song song quy mô lớn là phân tích lượng dữ liệu khổng lồ,” theo Hàn Đông Hách (Donhee Ham), một thành viên của nhóm nghiên cứu. “Chúng tôi đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc trích xuất thông tin từ dữ liệu này, đặc biệt là về các kết nối synapse. Hiện tại, chúng tôi đang tập trung phát triển một thiết kế có thể áp dụng cho nghiên cứu não bộ trong cơ thể sống.”
Nếu công nghệ này có thể vẽ bản đồ kết nối thần kinh trong não sống, nó có thể mở ra nhiều đột phá công nghệ. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm đào tạo trí tuệ nhân tạo (AI), giúp phát triển các chip AI mạnh mẽ hơn nhưng tiêu thụ ít điện năng hơn. Ngoài ra, công nghệ này cũng có thể tạo bước ngoặt trong nghiên cứu sức khỏe tâm thần, giúp các nhà khoa học hiểu cách hoạt động (hoặc rối loạn) của các kết nối synapse ảnh hưởng đến nhận thức và hành vi của con người.