Các nhà khoa học tạo ra một máy tính sinh học lai có thể trở thành nền tảng để nghiên cứu các mô hình não bộ!

Những câu hỏi này nghe có vẻ xa vời, thậm chí vô lý nhưng trong cộng đồng khoa học, tuy nhiên chúng đã trở thành mục tiêu của một số nhà nghiên cứu. Trong những năm gần đây, một loại vật liệu sinh học được gọi là organoid não bộ đã thu hút được sự chú ý rộng rãi của các nhà khoa học. Vật liệu này được phát triển từ tế bào gốc của con người trong ống nghiệm và có thể bắt chước các cấu trúc và chức năng nhất định của não người, chẳng hạn như tế bào thần kinh, khớp thần kinh và mạch thần kinh.

Các nhà khoa học hy vọng rằng bằng cách nghiên cứu các cơ quan như não người, họ có thể tiết lộ những bí ẩn của não và điều trị các bệnh về thần kinh như bệnh Alzheimer, bệnh tự kỷ và động kinh. Không chỉ vậy, một số nhà khoa học còn cố gắng hơn nữa để kết hợp các cơ quan não người với các thiết bị điện tử để tạo ra một loại máy tính sinh học mới. Máy tính này sử dụng mạng lưới thần kinh sinh học của các cơ quan não người để thực hiện các phép tính như nhận dạng giọng nói, xử lý hình ảnh và suy luận logic. 

Những máy tính như vậy có tiềm năng tiết kiệm năng lượng, linh hoạt và mạnh mẽ hơn các máy tính dựa trên silicon truyền thống và cũng có thể cung cấp những ý tưởng và nền tảng mới để phát triển trí tuệ nhân tạo và khoa học thần kinh. Vậy chính xác thì các cơ quan não người được tạo ra như thế nào? Chúng giống với bộ não con người thật đến mức nào? 

Việc tạo ra các cơ quan não người dựa trên công nghệ tế bào gốc. Tế bào gốc là tế bào có khả năng tự làm mới và biệt hóa thành nhiều loại tế bào, chúng có thể được lấy từ phôi, nhau thai, máu cuống rốn hoặc mô trưởng thành. Thông qua một loạt các kích thích hóa học và vật lý, các nhà khoa học có thể khiến tế bào gốc biệt hóa thành tế bào tiền thân thần kinh, là cơ sở cho sự phát triển của não bộ, có thể biệt hóa sâu hơn thành các loại tế bào thần kinh khác nhau như tế bào thần kinh, tế bào hình sao và tế bào Oligodendrocytes, v.v. 

Trong quá trình nuôi cấy in vitro, các tế bào tiền thân thần kinh tự động tổng hợp thành một cấu trúc hình cầu gọi là khối thần kinh. Những khối thần kinh này có thể tiếp tục phát triển và biệt hóa trong môi trường nuôi cấy để hình thành các cơ quan não người với hình thái và chức năng phức tạp. 

Các cơ quan não người thường có kích thước từ vài mm đến vài cm và chúng có thể bắt chước các vùng và đặc điểm nhất định của não người, chẳng hạn như vỏ não, hồi hải mã, tiểu não và võng mạc. Các chất hữu cơ trong não người cũng có thể tạo ra một số hoạt động liên quan đến não, chẳng hạn như sản xuất chất dẫn truyền thần kinh, hình thành các khớp thần kinh và tạo ra tín hiệu điện.

Mạng nơ-ron là mô hình điện toán mô phỏng hệ thống thần kinh sinh học, bao gồm nhiều nơ-ron liên kết với nhau, mỗi nơ-ron có thể nhận và gửi thông tin, xử lý và xuất ra theo những quy tắc nhất định. Mạng nơ-ron có thể điều chỉnh cường độ và ngưỡng kết nối giữa các nơ-ron thông qua việc học, từ đó hiện thực hóa các chức năng như xác định, phân loại và dự đoán dữ liệu đầu vào. 

Bản thân cơ quan não người là một mạng lưới thần kinh tự nhiên bao gồm hàng triệu đến hàng trăm triệu tế bào thần kinh được kết nối với nhau thông qua các khớp thần kinh để tạo thành các mạch thần kinh phức tạp. 

Các nhà khoa học có thể giao tiếp với các cơ quan não người bằng cách gửi hoặc nhận tín hiệu điện tới chúng thông qua các kỹ thuật như mảng vi điện cực, kích thích ánh sáng và kích thích từ tính. Bằng cách này, các nhà khoa học có thể huấn luyện các cơ quan não người để hoàn thành các nhiệm vụ tính toán như nhận dạng giọng nói, xử lý hình ảnh và suy luận logic.

Ví dụ, Giáo sư Guo Feng và nhóm của ông tại Đại học Indiana Bloomington đã phát triển một hệ thống có tên Brainoware, sử dụng mạng lưới thần kinh sinh học của các cơ quan não người để đạt được khả năng nhận dạng giọng nói. Để tạo ra Brainware, các nhà nghiên cứu đã đặt một chất hữu cơ lên một tấm chứa hàng nghìn điện cực để kết nối não với các mạch điện. 

Sau đó, họ chuyển đổi đầu vào mong muốn thành dạng xung điện và đưa nó đến cơ quan. Phản ứng của mô não được cảm biến thu thập và “giải mã” bằng thuật toán học máy để xác định thông tin liên quan đến nó. Để kiểm tra khả năng của Brainoware, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ này để nhận dạng giọng nói. 

Phương pháp này là huấn luyện 240 bản ghi âm của 8 người đang nói chuyện, chuyển đổi âm thanh thành năng lượng điện và truyền nó tới organoid. Brainoware, bộ não nhỏ, phản ứng khác nhau với từng âm thanh, tạo ra các kiểu hoạt động thần kinh khác nhau. AI đã học cách xác định người nói bằng cách diễn giải những phản hồi này. Sau khi huấn luyện, hệ thống nhận dạng âm thanh với độ chính xác 78%.

Mặc dù cần nhiều nghiên cứu hơn nhưng nghiên cứu này xác nhận một số điểm lý thuyết chính, “Công nghệ này có thể được sử dụng để nghiên cứu não bộ”. Bởi vì các chất hữu cơ trong não có thể tái tạo cấu trúc và chức năng của một bộ não hoạt động thực sự, sử dụng Brainware có thể mô phỏng và nghiên cứu các rối loạn thần kinh như như bệnh Alzheimer, bệnh tự kỷ và bệnh động kinh. 

Bằng cách quan sát phản ứng của các chất hữu cơ, có thể kiểm tra tác dụng và tác dụng phụ của các phương pháp điều trị khác nhau. Tuy nhiên, mặc dù việc chế tạo và tính toán các cơ quan não người có giá trị khoa học và tiềm năng ứng dụng to lớn nhưng nó cũng đặt ra một số thách thức khoa học và kỹ thuật cũng như các vấn đề đạo đức và xã hội. 

Trước hết, vẫn còn một số khó khăn và hạn chế về mặt kỹ thuật trong việc sản xuất các cơ quan não người. Ví dụ, kích thước và độ phức tạp của các cơ quan não người không thể so sánh được với não người thật, chúng chỉ có thể bắt chước một số khu vực và chức năng cục bộ nhất định của não chứ không thể hình thành các cấu trúc và mạng lưới não hoàn chỉnh. Ngoài ra, việc nuôi cấy và bảo trì các cơ quan não người cũng đòi hỏi nhiều thời gian và chuyên môn, đồng thời tính ổn định và khả năng tái tạo của chúng cũng cần được cải thiện.

Thứ hai, việc tính toán các cơ quan não người cũng phải đối mặt với một số thách thức và hạn chế về mặt kỹ thuật. Ví dụ, khả năng tính toán của các cơ quan não người vẫn còn rất hạn chế, chúng chỉ có thể hoàn thành một số nhiệm vụ đơn giản chứ không thể xử lý các thông tin và vấn đề phức tạp. 

Ngoài ra, các quá trình tính toán của các cơ quan trong não người rất khó theo dõi và kiểm soát, đồng thời hoạt động và đầu ra thần kinh của chúng rất khó diễn giải và hiểu được. Cuối cùng, việc tạo ra và tính toán các cơ quan não người cũng đặt ra một số vấn đề về đạo đức và xã hội. Ví dụ, liệu nguồn và việc sử dụng các chất hữu cơ não người có hợp pháp và hợp lý hay không. Các cơ quan não người có nên được tôn trọng và bảo vệ? Những vấn đề này liên quan đến các giá trị và đạo đức của con người, đồng thời đòi hỏi các giới khoa học và xã hội cùng nhau thảo luận và xây dựng các chuẩn mực. 

Mặc dù vẫn còn nhiều vấn đề với công nghệ này, nhưng các cơ quan não người là một sự tồn tại kỳ diệu và bí ẩn cho phép chúng ta tưởng tượng và khám phá nhiều hơn về những bí ẩn và tiềm năng của bộ não con người. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể phát triển bộ não con người hoàn chỉnh trong phòng thí nghiệm và tạo ra một chiếc máy tính sinh học vượt trội hơn những chiếc máy tính hiện có. Khi đó, chúng ta sẽ phải đối mặt với một thế giới hoàn toàn mới, một thế giới đầy cơ hội và thách thức. 

 Tham khảo: Zhihu