Điều khiển vật thể bằng ý nghĩ

Trường hợp của Dennis DeGray

Tối 10 Tháng Mười 2006, trí não của Dennis DeGray gần như bị cắt rời khỏi cơ thể. Sau một ngày đánh cá, ông trở về nhà ở Pacific Grove, California, và phát hiện vẫn chưa đổ rác. Trời mưa khá lớn, ông chạy nhanh ra thùng rác bên ngoài sân với chiếc túi trên tay; và bị trượt chân trên một mảng rêu, cằm đập mạnh xuống đất, cổ gập lại giữa đốt sống thứ hai và thứ ba. Nhập viện, DeGray, lúc đó 53 tuổi, được các bác sĩ thông báo bị liệt vĩnh viễn từ xương đòn trở xuống. Ngoài những cái vặn mình nhẹ, ông không thể cử động thân và tay chân. Vài năm sau tai nạn, ông chỉ nằm một chỗ, xem kênh History và tập chấp nhận thực tế bi kịch của mình…

May mắn, không lâu sau đó, trong một sự kiện gây quỹ nghiên cứu tế bào gốc, ông gặp giáo sư Jaimie Henderson, chuyên về giải phẫu thần kinh tại Đại học Stanford. DeGray nhớ lại: “Henderson gây ấn tượng với tôi bằng một câu hỏi duy nhất: Bạn có muốn lái drone (máy bay không người lái) không?”. Henderson cho DeGray biết là ông và các đồng nghiệp đang phát triển công nghệ “brain-computer interface” (tương tác não-máy tính): Một kết nối giữa não và thiết bị bên ngoài, như máy tính, cánh tay robot hoặc drone để có thể điều khiển bằng ý nghĩ.

DeGray háo hức tham gia nên ông chuyển đến sống tại Menlo Park gần Stanford trong khi chờ đợi cuộc thử nghiệm được cấp phép và khởi động. Mùa Hè 2016, Henderson mở hộp sọ của DeGray, để lộ lớp vỏ não ngoài cùng mỏng, nhăn nheo và cấy hai mảng điện cực 4 mm x 4 mm giống như tấm ván gắn những chiếc đinh nhỏ xíu. Mỗi mảng có 100 gai kim loại nhỏ để ghi lại các xung điện phát ra dọc vài trăm tế bào thần kinh hoặc nhiều hơn trong vỏ não vận động (vùng não liên quan đến chuyển động tự nguyện).

Nhóm nghiên cứu Henderson đến nhà DeGray và để ông ngồi trước màn hình máy tính hiển thị một vòng tám chấm trắng. Nhiệm vụ của DeGray là di chuyển con trỏ về phía chấm phát sáng bằng ý nghĩ trong đầu để nó chuyển sang màu vàng. Các nhà khoa học dùng dây nối bệ kim loại nhỏ nhô ra khỏi đầu DeGray, nơi truyền tín hiệu điện được ghi lại trong não, và bộ giải mã gồm một mạng máy tính chạy các thuật toán chuyên biệt. Các thuật toán này được xây dựng bởi David Brandman (sinh viên tiến sĩ khoa học thần kinh đang cộng tác với nhóm Stanford thông qua tập đoàn BrainGates) có thể nhanh chóng liên kết các mẫu hoạt động thần kinh khác nhau với các chuyển động tay khác nhau và tự cập nhật mỗi hai, ba giây để tăng độ chính xác.

Nếu các tế bào thần kinh trong hộp sọ của DeGray giống như nốt nhạc trên đàn piano, thì các ý định trong đầu ông tương tự một tác phẩm âm nhạc. Ví dụ, ý định nhấc cánh tay của ông sẽ trùng với một giai điệu thần kinh, trong khi cố gắng di chuyển tay sang phải sẽ tương ứng với một giai điệu khác. Khi bộ giải mã học được cách xác định các chuyển động mà DeGray nảy ra trong đầu, nó sẽ gửi các lệnh để di chuyển con trỏ theo hướng tương ứng.

Brandman yêu cầu DeGray tưởng tượng một chuyển động giúp ông kiểm soát trực quan con trỏ. Nhìn chằm chằm vào màn hình máy tính, đắn đo một lát, DeGray nhớ lại một cảnh trong bộ phim Ghost, trong đó người chết Sam Wheat (do Patrick Swayze thủ vai) vô hình trượt một xu dọc theo cánh cửa để chứng minh với bạn gái anh ta vẫn tồn tại ở dạng quang phổ. DeGray hình dung mình đang đẩy con trỏ bằng ngón tay như thể đó là một xu và sẵn sàng hướng nó về phía mục tiêu. Dù không có khả năng cử động bàn tay nhưng ông cố gắng làm thế bằng ý nghĩ trong đầu. Brandman rất vui khi thấy bộ giải mã hoạt động đúng như mong đợi. Trong 37 giây, DeGray đã giành được quyền kiểm soát con trỏ và đến điểm phát sáng đầu tiên. Trong vòng vài phút, ông bắn trúng hàng chục mục tiêu!

The New York Times Magazine (ngày 12-5-2022) cho biết, hiện chỉ vài chục người trên hành tinh được may mắn tham gia nghiên cứu thử nghiệm lâm sàng dài hạn tương tác não-máy tính như DeGray. Nhưng DeGray thuộc số ít người chịu khó nhất nên được trải nghiệm nhiều nhất. Kể từ lần thử nghiệm đầu tiên, ông đã bỏ ra hơn 1,800 giờ trong gần 400 buổi học để điều khiển nhiều thứ khác nhau bằng ý nghĩ của mình.

Các nhà khoa học đã ghi lại hình ảnh các tế bào thần kinh kích hoạt trong não DeGray khi ông tưởng tượng mình đang viết các từ bằng bút trên sổ ghi chú và cố gắng tạo lại các chuyển động tay riêng biệt cần thiết cho mỗi chữ cái. Ông nhẩm tính đã viết hàng ngàn từ để hệ thống nhận dạng chính xác nhất các mẫu hoạt động thần kinh cụ thể cho từng chữ cái và hiển thị chúng trên màn hình. Cuối cùng, DeGray có thể gõ tới 90 ký tự hoặc 18 từ một phút và trở thành “người đánh máy bằng ý nghĩ nhanh nhất thế giới”. Ông chơi được trò chơi điện tử, điều khiển được chân tay robot, có thể gửi tin nhắn văn bản và email, mua sản phẩm trên Amazon; thậm chí lái một mô phỏng drone mà không cần phải nhấc ngón tay. Cùng nhau, DeGray và các tình nguyện viên thử nghiệm khác khám phá biên giới của một công nghệ có tiềm năng thay đổi cơ bản cách tương tác giữa con người và máy móc.

Tương tác não-máy tính, trợ thủ của người tàn tật

Các nhà khoa học và kỹ sư đã tạo ra và nghiên cứu công nghệ “brain-computer interface” từ thập niên 1950. Nhờ nó, những người bị tê liệt học được cách chơi các giai điệu đơn giản trên bàn phím kỹ thuật số, điều khiển bộ khung ngoài cơ thể và các chi robot đủ khéo léo để uống một chai bia. Tháng Ba qua, một nhóm nhà khoa học quốc tế đã công bố một nghiên cứu đầu tiên cho thấy một người bị liệt toàn thân vẫn có thể sử dụng công nghệ tương tác não-máy tính để truyền đạt mong muốn và nhu cầu của họ bằng cách tạo ra các mệnh lệnh từ những chữ cái nối với nhau.

Công nghệ này cũng có thể tạo ra “tuyến giao tiếp hai chiều” giữa não và máy. Năm 2016, Nathan Copeland, người bị liệt từ ngực trở xuống trong một tai nạn xe hơi, không chỉ dùng tay robot đụng vào tay Tổng thống Barack Obama (trong một thử nghiệm), mà còn cảm nhận được vết sưng trên tay thông qua phản hồi tín hiệu đến các điện cực trong não để kích thích vỏ não phụ trách xúc giác.

Kết hợp công nghệ hình ảnh não và mạng thần kinh, các nhà khoa học cũng giải mã và tái tạo một phần hình ảnh từ suy nghĩ của con người. Hầu hết các nhà nghiên cứu phát triển công nghệ “brain-computer interface” cho biết họ quan tâm nhiều đến việc ứng dụng công nghệ này vào việc khôi phục khả năng vận động và giao tiếp cho những người bị liệt hoặc khuyết tật. Tuy nhiên, tiềm năng còn lớn hơn khi ngày càng có nhiều công ty khởi nghiệp nổi tiếng phát triển thêm phạm vi ứng dụng của nó với hy vọng trong tương lai gần “brain-computer interface” sẽ thực sự tăng cường khả năng bẩm sinh của con người, thêm những khả năng mới, chứ không đơn giản chỉ khôi phục những khả năng đã mất. Trong lịch sử sự sống Trái đất, chúng ta chưa bao giờ gặp phải trường hợp có tâm trí mà không có cơ thể. Nếu “brain-computer interface” đi xa hơn, suy nghĩ của loài người sẽ không còn lệ thuộc vào cơ thể” nhờ sự kết hợp mới giữa tâm trí và máy móc.

Vào một buổi sáng mùa xuân năm 1893, trong một cuộc huấn luyện quân sự ở Würzburg, Đức, Hans Berger, một thanh niên 19 tuổi bị ngựa hất ngã và suýt chết dưới bánh xe kéo pháo. Cùng sáng hôm đó, em gái của anh, ở cách đó 60 dặm có linh cảm xấu nên thúc người cha đánh điện hỏi thăm con trai. Kiểu thần giao cách cảm đó đã ám ảnh Berger và anh đi sâu vào nghiên cứu những bí ẩn của tâm trí, mở đầu cho phát minh phương pháp ghi điện não đồ (EEG – Electroencephalography) vào năm 1920 (một phương pháp ghi lại hoạt động điện trong não bằng cách sử dụng các điện cực gắn lên da đầu). Đây cũng là cuộc trò chuyện đầu tiên của tế bào người được ghi lại bằng đồ thị. Trong những thập niên tiếp theo, các nhà khoa học có thêm những cách mới để ghi lại, thao tác và chuyển kênh các tín hiệu điện của não bộ, xây dựng các cầu nối phức tạp hơn giữa ý nghĩ và máy móc.

Năm 1964, José Manuel Rodríguez Delgado, nhà sinh lý học thần kinh người Tây Ban Nha, đã gắn các điện cực điều khiển bằng sóng vô tuyến vào não một con bò đực để ra lệnh cho nó. Thập niên 1970, giáo sư Jacques Vidal của Đại học California, Los Angeles, đã đặt ra thuật ngữ “brain-computer interface” và chứng minh con người có thể hướng con trỏ qua một mê cung ảo đơn giản. Đến đầu thập niên 2000, nhà thần kinh học Miguel Nicolelis của Đại học Duke đã công bố các nghiên cứu chứng minh những con khỉ được cấy “brain-computer interface” có thể điều khiển bộ phận giả robot bằng ý nghĩ.

Năm 2004, Matt Nagle, người bị liệt từ vai trở xuống, trở thành người đầu tiên làm được điều tương tự: Sử dụng ý nghĩ để chơi Pong, đổi kênh trên truyền hình, mở email và vẽ một vòng tròn trên màn hình máy tính. Kể từ đó, tốc độ thành tựu trong lĩnh vực “brain-computer interface” tăng lên rất nhiều, một phần nhờ vào sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI). Phần mềm học máy đã cải thiện đáng kể hiệu quả và độ chính xác của tương tác não-thần kinh bằng cách tự động hóa một số tính toán cần thiết và dự đoán ý định của người dùng.

Năm 2021, nhà giải phẫu thần kinh Edward Chang của Đại học California San Francisco và các cộng tác viên đã công bố một nghiên cứu mang tính bước ngoặt mô tả cách “brain-computer interface” giúp một người đàn ông 36 tuổi tên Pancho bị liệt có giọng nói trở lại sau hơn 15 năm. Do tai nạn xe hơi và đột quỵ nặng năm 20 tuổi, ông Pancho mất khả năng phát ra giọng nói dễ hiểu. Trong 20 tháng, 128 điện cực hình đĩa đặt trên vỏ não cảm giác của ông đã ghi lại hoạt động điện trong các vùng não liên quan đến xử lý giọng nói và kiểm soát âm lượng khi ông cố gắng nói to các từ.

Hỗ trợ là bộ giải mã liên kết các mô hình hoạt động thần kinh khác nhau với các từ khác nhau và sự trợ giúp của các thuật toán dự đoán ngôn ngữ. Cuối cùng, máy tính đã học cách giải mã 15 từ mỗi phút với độ chính xác khoảng 75%. Dù đây chỉ là một phần nhỏ so với tốc độ nói thông thường bằng tiếng Anh (140 đến 200 từ một phút), nhưng nó cũng nhanh hơn đáng kể so với nhiều phương pháp giao tiếp có sẵn cho những người bị liệt nặng.

Triển vọng tương lai

Cho đến nay, các thành tựu về “brain-computer interface” dựa trên sự kết hợp của các công nghệ xâm lấn và không xâm lấn (invasive and noninvasive technologies). Nhiều nhà khoa học trong lĩnh vực này dùng loại điện cực nhọn Utah Array do công ty Blackrock Neurotech có trụ sở tại Utah sản xuất. Utah Array cấy vào não có thể phân biệt tín hiệu của các tế bào thần kinh riêng lẻ, tăng khả năng kiểm soát các thiết bị được kết nối. Tuy nhiên, phẫu thuật cấy có thể dẫn đến nhiễm trùng, viêm và sẹo.

Hầu hết các “brain-computer interface” được nghiên cứu trong phòng thí nghiệm yêu cầu phần cứng cồng kềnh, dây cáp và nhiều máy tính. Để giải quyết trở ngại này, công ty Neuralink của Elon Musk đã phát triển một loạt sợi polyme dẻo được gắn với hơn 3,000 điện cực nhỏ kết nối với một bộ xử lý tín hiệu và radio không dây kích thước bằng nắp chai. Phẫu thuật cấy các sợi này vào não không phạm phải các mạch máu để giảm viêm. Neuralink đã thử nghiệm hệ thống mới trên động vật và cho biết sẽ bắt đầu thử nghiệm trên người trong năm nay.

Synchron, có trụ sở tại New York, cũng giới thiệu một thiết bị gọi là Stentrode không cần phẫu thuật mở não. Đó là một mạng lưới điện cực hình ống tự giãn dài 4 cm, được đưa vào một trong các mạch máu chính của não qua tĩnh mạch hình nón. Năm 2021, Synchron trở thành công ty đầu tiên được FDA cấp phép thử nghiệm lâm sàng trên người với “brain-computer interface” cấy ghép vĩnh viễn. Cho đến nay, bốn người bị liệt ở các mức độ khác nhau đã nhận được Stentrode, một số kết hợp với theo dõi mắt và các công nghệ hỗ trợ khác, để điều khiển máy tính cá nhân khi không có người giám sát ở nhà.

Không có công nghệ nào có thể truyền đạt suy nghĩ của con người nhanh như chúng xuất hiện. Các ngón tay và ngón cái sẽ không bao giờ di chuyển đủ nhanh. Và có nhiều hình thức xử lý thông tin phù hợp với máy tính hơn là não người. Thomas Oxley, nhà thần kinh học, người sáng lập Synchron, đang nghĩ đến khả năng sử dụng tương tác thần kinh để tăng cường trí nhớ của con người, củng cố kỹ năng điều hướng bẩm sinh liên kết trực tiếp với GPS để tăng mạnh khả năng tính toán của não người và tạo ra một dạng giao tiếp mới.

Tuy nhiên, nếu các “brain-computer interface” tinh vi cuối cùng vượt qua các ứng dụng y tế và trở thành hàng tiêu dùng có sẵn cho công chúng thì những cân nhắc về đạo đức xung quanh chúng sẽ nhân lên theo cấp số nhân. Trong một bài bình luận năm 2017 về công nghệ thần kinh, nhà sinh học thần kinh Rafael Yuste của Đại học Columbia và 24 đồng nghiệp đã xác định bốn lĩnh vực chính cần quan tâm: An toàn, quyền riêng tư, sự đồng ý và thẩm quyền. Tất cả các nhà khoa học và kỹ sư đều thừa nhận các vấn đề đạo đức do “brain-computer interface” đặt ra, nhưng hầu hết chỉ quan tâm đến sự đồng ý và an toàn hơn là quyền riêng tư và thẩm quyền. Trong thế giới nghiên cứu khoa học hàn lâm, ranh giới đạo đức luôn là vấn đề gây tranh cãi.