Những bước tiến nổi bật nhất trong công nghệ giao diện não - máy

1. Từ phòng thí nghiệm đến thử nghiệm trên người

Neuralink, công ty công nghệ thần kinh của Elon Musk, trở thành tâm điểm khi được FDA (Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ) cấp phép thử nghiệm trên người vào năm 2023. Đến đầu 2024, ca cấy chip não đầu tiên được thực hiện cho Noland Arbaugh, bệnh nhân bị liệt tứ chi. Nhờ hàng nghìn điện cực siêu mảnh cắm trực tiếp vào vỏ não vận động, Noland Arbaugh có thể điều khiển máy tính bằng ý nghĩ, chơi game, đọc sách và học tập bình thường. Anh gọi đây là “bước ngoặt cuộc đời mình”.

Đến tháng 9.2025, Neuralink thông báo cấy chip não cho 12 bệnh nhân tại Mỹ và Anh, với tổng cộng hơn 15.000 giờ sử dụng. Điểm mạnh của Neuralink là robot cấy ghép tự động, có thể đưa sợi điện cực mảnh hơn 1/20 sợi tóc vào não mà hạn chế tổn thương. Tuy nhiên, tính xâm lấn cao vẫn đặt ra nhiều câu hỏi về đạo đức và an toàn.

Paradromics, đối thủ của Neuralink, thì tập trung vào giải mã lời nói. Năm 2025, Paradromics công bố thử nghiệm cấy tạm thời thiết bị Connexus Direct Data Interface trong não người để thu tín hiệu từ vùng vận động và ngôn ngữ. Thiết bị có hàng nghìn kênh độ phân giải cao, giúp “tái tạo lời nói theo thời gian thực” cho bệnh nhân mất khả năng nói do ALS (bệnh xơ cứng teo cơ một bên) hay đột quỵ. Paradromics chuẩn bị thử nghiệm dài hạn và dự kiến thương mại hóa sau 3-4 năm, với hơn 100 triệu USD vốn mới.

Trái ngược với hai hướng cấy ghép sâu, Synchron chọn cách đưa thiết bị vào não qua tĩnh mạch bằng công nghệ Stentrode - stent mạch máu có điện cực. Nhờ không cần mở sọ, thiết bị an toàn hơn và dễ nhân rộng. Công nghệ của Synchron giúp bệnh nhân liệt gửi tin nhắn, lướt web, điều khiển máy tính bảng bằng ý nghĩ, được xem là ứng viên sáng giá nhất cho thương mại hóa y học sớm nhờ tính an toàn và dễ sản xuất.

Đến tháng 10, Synchron thông báo đang mở rộng sang giai đoạn hai với nhiều trung tâm y tế lớn tham gia, đồng thời nhận thêm 75 triệu USD vốn đầu tư từ một nhóm nhà tài trợ dẫn đầu bởi Khosla Ventures và Bezos Expeditions (quỹ của Jeff Bezos). Mục tiêu là chuẩn bị cho giai đoạn tiền thương mại hóa vào cuối thập kỷ này.

Synchron được xem là ứng viên sáng giá nhất cho các ứng dụng y học sớm, nhờ tính an toàn và khả năng sản xuất hàng loạt dễ dàng hơn so với chip cấy sâu trong não.

2. Giải mã lời nói theo thời gian thực

Giai đoạn 2024-2025 chứng kiến một trong những bước tiến ấn tượng nhất của BCI: Phục hồi khả năng giao tiếp bằng giọng nói cho người bị mất tiếng. Những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực này đang đưa khái niệm “nói bằng ý nghĩ” từ viễn tưởng trở thành hiện thực y học.

Các nhóm nghiên cứu tại Đại học California - San Francisco và Đại học Stanford (Mỹ) đã phát triển thế hệ “bộ chuyển đổi thần kinh thành lời nói” có thể giải mã ý định của người bệnh thành câu nói tổng hợp gần như theo thời gian thực.

Theo hãng tin AFP, một trong những ca lâm sàng gây chú ý nhất là với người phụ nữ 47 tuổi bị liệt sau cơn đột quỵ, mất hoàn toàn khả năng nói trong hơn 18 năm. Nhờ một thiết bị BCI cấy trên bề mặt vỏ não ngôn ngữ, bà có thể giao tiếp trở lại bằng cách nghĩ đến việc nói, trong khi hệ thống sẽ giải mã hoạt động thần kinh thành âm vị, từ và câu nói hoàn chỉnh.

Điều đặc biệt là giọng nói nhân tạo được tổng hợp dựa trên mẫu giọng cũ của bệnh nhân, giúp âm thanh trở nên quen thuộc và mang dấu ấn cá nhân. Hệ thống xử lý dữ liệu theo các khối thời gian chỉ 80 mili giây, tương đương với nhịp nói tự nhiên của con người, cho phép đối thoại liền mạch, không còn trễ đáng kể như các phiên bản trước.

3. Cuộc đua về điện cực: Độ bền, vật liệu mới

Trong thế giới BCI, điện cực là cầu nối quan trọng nhất giữa bộ não con người và máy tính. Chính nhờ những điện cực này, các xung điện yếu ớt của tế bào thần kinh được chuyển thành tín hiệu số, giúp máy tính “đọc” được ý định hay hành động của con người. Vì vậy, việc tăng số lượng điện cực, kéo dài tuổi thọ và giảm phản ứng mô đã trở thành cuộc đua công nghệ cốt lõi giữa các phòng thí nghiệm và công ty BCI hàng đầu.

Ra đời từ đầu những năm 2000, Utah Array (một cụm gồm 96 gai silicon siêu nhỏ cắm trực tiếp vào vỏ não) được xem là công cụ kinh điển trong ngành BCI. Mỗi gai silicon hoạt động như một ăng ten siêu nhỏ, ghi lại hoạt động của hàng trăm tế bào thần kinh xung quanh.

Do công ty Blackrock Neurotech (Mỹ) sản xuất, Utah Array vẫn là tiêu chuẩn vàng cho nghiên cứu lâm sàng và được dùng trong hầu hết thí nghiệm lớn trên người, gồm cả các dự án do Đại học Brown, Stanford và Pittsburgh (Mỹ) thực hiện.

Đến 2025, hơn 40 bệnh nhân trên thế giới đang được cấy thiết bị sử dụng Utah Array - con số nhỏ nhưng mang ý nghĩa đột phá, vì phần lớn họ đã có thể điều khiển máy tính, tay robot hoặc giao tiếp bằng ý nghĩ.

Dù nổi tiếng về độ chính xác và ổn định tín hiệu, Utah Array vẫn còn điểm yếu lớn. Theo thời gian, mô não có xu hướng bao bọc và cô lập các gai silicon, khiến tín hiệu yếu dần. Nhiều nghiên cứu cho thấy, sau 3 - 5 năm, cường độ tín hiệu thần kinh giảm rõ rệt do phản ứng viêm và sự phát triển của mô sẹo xung quanh điện cực.

Ngoài ra, quá trình cấy ghép phức tạp (cần mở sọ và đặt trực tiếp cụm điện cực lên bề mặt não) khiến chi phí và rủi ro y học khá cao.

Từ năm 2023 trở đi, hàng loạt nhóm nghiên cứu và công ty khởi nghiệp đã chạy đua phát triển thế hệ điện cực mới, với ba mục tiêu chính: Tăng mật độ kênh tín hiệu (số lượng điện cực trên cùng một diện tích); giảm tổn thương mô thần kinh khi cấy ghép; kéo dài thời gian sử dụng lên 10 - 15 năm.

Các giải pháp hiện nay tập trung vào vật liệu linh hoạt và siêu mỏng, như polyimide, graphene, PEDOT:PSS (loại polymer dẫn điện sinh học) và vàng nano mạ mềm. Những vật liệu này giúp điện cực bẻ cong theo chuyển động tự nhiên của mô não, giảm ma sát và phản ứng viêm.

Đặc biệt, các điện cực kiểu “lưới thần kinh mềm” đang nổi lên như một hướng đi hứa hẹn. Chúng mỏng đến mức có thể cuộn lại trong ống tiêm, sau đó tự bung ra và ôm sát bề mặt não, ghi tín hiệu từ hàng nghìn nơ ron cùng lúc mà không gây tổn thương đáng kể.

Đại học Harvard, Học viện Công nghệ Massachusetts và Viện Wyss (Mỹ) đã công bố nhiều mẫu điện cực dạng lưới thế hệ mới, có độ dày chỉ 1/100 sợi tóc người và có thể hoạt động ổn định trong hơn 7 năm trên mô động vật.

Trong khối doanh nghiệp, Paradromics đang được xem là kẻ thách thức Utah Array. Thiết bị Connexus Direct Data Interface mà công ty phát triển có thể chứa hơn 1.600 kênh điện cực, gấp 15 lần so với Utah Array cổ điển, trong khi kích thước vẫn chỉ bằng một con tem nhỏ.

Paradromics sử dụng công nghệ vi gia công để tạo các sợi điện cực siêu mảnh, làm từ hợp kim titan - platinum phủ polymer sinh học, giúp vừa dẫn điện tốt vừa ít bị cơ thể “đẩy lùi”.

Các thử nghiệm tạm thời trong năm 2025 cho thấy Connexus Direct Data Interface có thể ghi tín hiệu ổn định liên tục trong nhiều tuần, với độ nhiễu thấp hơn 40% so với Utah Array.

Điều này mở ra khả năng theo dõi và giải mã hoạt động thần kinh chi tiết hơn, phục vụ cho các ứng dụng phức tạp như phục hồi vận động tinh, điều khiển tay robot đa khớp, hay tái tạo giọng nói tự nhiên từ ý nghĩ.

Một hướng mới đang được nhiều phòng thí nghiệm theo đuổi là vật liệu điện cực tự phục hồi hoặc tự tiêu sinh học.

Các điện cực này được làm từ silicon hòa tan sinh học, magiê hoặc polymer phân rã tự nhiên, có thể hoạt động trong vài tháng đến một năm rồi tự biến mất trong cơ thể mà không cần phẫu thuật gỡ bỏ. Điều này đặc biệt hữu ích cho các ca theo dõi ngắn hạn sau chấn thương não, đột quỵ hoặc phẫu thuật thần kinh, nơi bác sĩ chỉ cần thu tín hiệu tạm thời.

Các thử nghiệm ban đầu do Đại học Northwestern (Mỹ) và Đại học Seoul (Hàn Quốc) công bố năm 2025 cho thấy các điện cực sinh học này có thể ghi tín hiệu chất lượng cao trong 180 ngày, sau đó tự phân rã hoàn toàn trong mô não mà không để lại độc tính.

Nhìn tổng thể, xu hướng phát triển điện cực trong BCI đang dần chuyển từ “phần cứng cơ học” sang “giao diện sinh học thực thụ”, nơi thiết bị không chỉ ghi nhận tín hiệu, mà còn “sống hòa hợp” với mô thần kinh.

Nếu thành công, những thiết bị BCI tương lai có thể tồn tại ổn định hàng chục năm trong cơ thể, hoạt động như một phần tự nhiên của não, mở ra kỷ nguyên mới cho công nghệ kết nối thần kinh - máy.

4. AI, phần cứng tính toán giúp giải mã suy nghĩ nhanh và chính xác hơn

Trong hệ thống BCI, các điện cực và chip thần kinh giống như "tai" lắng nghe từng tín hiệu từ não, còn AI (trí tuệ nhân tạo) đóng vai trò như "bộ não thứ hai", giải mã và hiểu được ý định, suy nghĩ mà não muốn truyền tải.

Một BCI không chỉ cần phần cứng tinh vi mà còn cả bộ xử lý có khả năng chuyển đổi hàng nghìn tín hiệu điện yếu ớt của nơ ron thành ý định, chữ viết hoặc lời nói trong thời gian thực.

AI không thể phát huy hết khả năng nếu không có nền tảng phần cứng mạnh mẽ. Các bộ xử lý đồ họa (GPU) và bộ xử lý thần kinh (NPU) từ Nvidia, AMD, Cerebras đang được tích hợp trực tiếp vào hệ thống huấn luyện mô hình giải mã não.

Một ví dụ điển hình là Synchron hợp tác với Nvidia để tận dụng sức mạnh của nền tảng CUDA và dịch vụ điện toán đám mây DGX Cloud, cho phép huấn luyện và cập nhật mô hình giải mã theo thời gian thực, nhờ đó giảm độ trễ tín hiệu từ vài trăm mili giây xuống chỉ còn dưới 50 mili giây, nhanh gần như phản xạ tự nhiên của con người.

Nhờ phần cứng tính toán mạnh, các công ty giờ đây có thể huấn luyện mô hình riêng cho từng người dùng, giúp thiết bị hiểu “ngôn ngữ thần kinh” riêng biệt của mỗi não bộ.

5. Ứng dụng phục hồi chức năng: Từ điều khiển thiết bị đến hồi phục vận động sau chấn thương

Công nghệ BCI không chỉ giúp người mất khả năng giao tiếp nói chuyện hoặc viết bằng ý nghĩ, mà còn đang mở ra hy vọng phục hồi vận động cho những người bị tổn thương tủy sống hoặc liệt tứ chi.

Một trong những bước tiến quan trọng nhất gần đây là sự xuất hiện của giao diện não - tủy sống, kết hợp hai yếu tố:

Giải mã ý định vận động từ não: Điện cực hoặc BCI đọc tín hiệu thần kinh khi người dùng nghĩ đến việc di chuyển tay, chân hoặc đứng lên.

Kích thích thần kinh cột sống: Một mạng điện cực được đặt trên tủy sống, kích hoạt các nhóm cơ tương ứng với tín hiệu đã giải mã từ não.

Khi kết hợp, hệ thống cho phép người liệt hoặc bán liệt kích hoạt các nhóm cơ bị tê liệt và thậm chí đi lại, đứng dậy hoặc thực hiện các cử động phức tạp mà trước đây gần như không thể.

Kết quả thử nghiệm lâm sàng ở Mỹ, châu Âu và Nhật Bản rất ấn tượng:

- Người tham gia với liệt nửa người hoặc liệt tứ chi có thể đi vài bước với sự hỗ trợ của BCI và kích thích cột sống.

- Một số bệnh nhân tái học cách đứng lên và giữ thăng bằng trong vài phút, chỉ vài tuần sau khi được cấy ghép và huấn luyện với hệ thống.

- Ngoài việc phục hồi vận động, nhiều người còn cải thiện cảm giác về chân tay, điều mà các phương pháp vật lý trị liệu truyền thống khó đạt được.

Các nghiên cứu cho thấy hiệu quả càng cao khi AI được tích hợp vào BCI, giúp giải mã tín hiệu não chính xác hơn và điều chỉnh mô hình kích thích cột sống theo thời gian thực. Điều này tạo ra phản hồi động lực học tự nhiên, khiến các cử động trở nên mềm mại, chính xác và ít mệt mỏi hơn.

Ứng dụng BCI trong phục hồi vận động không chỉ là cải thiện khả năng di chuyển, mà còn tác động to lớn đến độc lập và tinh thần của người bệnh. Người dùng có thể tự cầm nắm vật dụng hàng ngày, như cốc nước, bàn chải hay điện thoại; tham gia các hoạt động xã hội, giảm cảm giác phụ thuộc và cô lập; kết hợp phục hồi vận động với trị liệu vật lý và tâm lý, thúc đẩy quá trình hồi phục toàn diện.

Các chuyên gia dự báo, với tốc độ tiến bộ hiện nay, trong 5 - 10 năm tới, BCI kết hợp kích thích thần kinh sẽ trở thành một phần chuẩn trong liệu pháp phục hồi sau chấn thương tủy sống, mở ra cơ hội cho hàng nghìn người lấy lại khả năng vận động và tự lập.

Không dừng lại ở đó, các nghiên cứu đang thử nghiệm việc BCI nâng cao hiệu suất vận động, như hỗ trợ đi nhanh hơn, phối hợp nhiều nhóm cơ cùng lúc, hoặc kết hợp với tay robot và exoskeleton (bộ khung ngoài hỗ trợ vận động) để người dùng có thể thực hiện những cử động phức tạp hơn so với khả năng hiện tại của cơ thể.

6. Các phương pháp BCI không hoặc ít xâm lấn

Trong lĩnh vực BCI, không xâm lấn nghĩa là không cần cấy ghép điện cực trực tiếp vào não, giúp giảm rủi ro phẫu thuật và tăng khả năng áp dụng rộng rãi. Những năm gần đây, các nhà khoa học đang thử nghiệm nhiều phương pháp mới và tiên tiến, từ siêu âm hội tụ đến metasurface và giải mã điện não nâng cao, mở ra khả năng đọc và điều chỉnh hoạt động não mà không cần mổ sọ.

Siêu âm hội tụ sử dụng sóng siêu âm cường độ thấp để tác động trực tiếp lên các vùng não sâu, mà không cần cấy ghép. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc tạo ra sóng cơ học tập trung, có thể kích thích hoặc ức chế tế bào thần kinh, từ đó điều chỉnh chức năng não.

Metasurface là vật liệu nhân tạo có cấu trúc siêu mỏng, cho phép điều khiển sóng điện từ cực chính xác.

Khi tích hợp vào BCI không xâm lấn, metasurface có thể mã hóa và bảo vệ tín hiệu thần kinh trước khi truyền không dây; ngăn rò rỉ thông tin nhạy cảm như cảm xúc, suy nghĩ hoặc phản ứng hành vi; cho phép giao tiếp với máy tính hoặc thiết bị điều khiển từ xa mà vẫn đảm bảo quyền riêng tư và an toàn dữ liệu.