Giao diện Não-Máy tính BCI

BCI là gì

Nghiên cứu về Giao diện Não-Máy tính được bắt đầu vào thập niên 1970 tại Đại học California (UCLA, Los Angeles) với sự tài trợ của NSF (Quỹ khoa học quốc gia), tiếp đó có kinh phí từ DARPA (Cục Dự án Nghiên cứu Nâng cao, Bộ Quốc phòng Mỹ). Sau nhiều năm thử nghiệm trên động vật, đến năm 1998 thì các thiết bị thần kinh lần đầu tiên được cấy vào cơ thể con người.

Não người chứa khoảng 100 tỷ tế bào Neuron nối với nhau bằng những sợi thần kinh theo hình cây và tạo thành mạng truyền đi các tín hiệu điện rất bé mà nhanh tới 450km/giờ. Những đường mạng tuy có cách li với nhau nhưng một số tín hiệu điện vẫn thoát ra bên ngoài và bị các nhà khoa học phát hiện. Họ hiểu được ý nghĩa của những tín hiệu đó và sử dụng chúng để điều khiển thiết bị. Tín hiệu từ các bộ cảm biến nhân tạo được cấy ghép, sau khi thích nghi sẽ được xử lý bởi não như cảm biến tự nhiên hoặc các kênh truyền thông nghe-nhìn.

Não người cả khi ở tuổi già vẫn có thể thay đổi theo các cách đáng kinh ngạc để phù hợp với những tình huống mới, học một điều gì mới hoặc cùng tham gia hoạt động mới lạ. Nếu não người lớn bị tổn thương thì các phần khác của não có khả năng đảm đương chức năng của những phần bị phá huỷ. Nghĩa là người lớn có thể học để hoạt động cùng với BCI, não họ tạo ra những kiểu kết nối mới giữa các Neuron. Điều đó cũng có nghĩa là não có thể điều chỉnh tương tự như các lệnh liên quan và phát triển những kết nối mới được ghi vào trong não như một phần của bộ não tự nhiên.

Khi ghi điện não đồ (EEG: Electroencephalography) nhiều điện cực được áp sát vào da đầu để đọc các tín hiệu trong não, tuy nhiên xương sọ ngăn chặn và gây nhiễu cho tín hiệu điện. Mặt khác có nhiều quá trình hoá học liên quan mà EEG không thể nhận biết được. Để có được tín hiệu chính xác hơn, có thể cấy những điện cực trực tiếp vào dưới da, trong não hoặc trên vỏ não, bên dưới lớp xương sọ, như thế sau một thời gian dài sẽ tạo thành sẹo và lại ngăn chặn tín hiệu.

Trong trường hợp kết nối vào giác quan, máy tính chuyển đổi tín hiệu, ví dụ tín hiệu từ camera, thành điện áp cần thiết gửi tới các Neutron. Tín hiệu này được gửi tới mô cấy trong vùng thích hợp của não và nếu mọi thứ làm việc đúng thì những Neuron bị kích thích và nhận biết những vật thể tương ứng với hình ảnh mà camera đã nhìn thấy.

Các nghiên cứu về tương tác giữa người và máy tính hiệu chỉnh bằng công nghệ học máy với các đặc điểm thời gian thống kê được trích từ thùy trán, dữ liệu sóng não EEG đã mang lại thành công cao trong việc phân loại các trạng thái tinh thần (Thư giãn, Trung lập, Tập trung), các mức độ (Tiêu cực, Trung tính, Tích cực) và sự rối loạn đồi vỏ não. Trong ứng dụng thật sự, máy tính thường là một hệ thống nhúng nhỏ gọn đi kèm bộ phận tác động (vd. chân hoặc tay robot) cùng các bộ cảm biến và BCI cho phép hoạt động cùng con người ở môi trường thực tiễn.

Chủ yếu BCI được ứng dụng trong các thiết bị tìm đường, hỗ trợ, tăng cường hoặc sửa chữa các chức năng rất quan trọng như vận động, nhận thức, cảm giác... Năm 2014, một người đàn ông bị liệt được hỗ trợ bằng đôi chân robot đã đá bóng vào lưới chỉ bằng suy nghĩ của mình tại lễ khai mạc World Cup bóng đá ở Brazil. BCI mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt cho người khuyết tật, tuy vậy cần lưu ý đến những mối nguy tiềm ẩn khi sử dụng.

Các vấn đê đặt ra

Một trong những vấn đề lớn nhất khi sử dụng BCI trong môi trường lâm sàng là sự không ổn định của bản ghi thần kinh. Theo thời gian, các tín hiệu được chọn bởi BCI có thể thay đổi và kết quả của biến thể này là một cá nhân có thể mất khả năng kiểm soát BCI của mình. Một giải thuật học máy mới tìm ra đã giúp giảm nhu cầu BCI để trải qua hiệu chuẩn. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Carnegie Mellon và ĐH Pittsburgh đã công bố một nghiên cứu về kỹ thuật y sinh tự nhiên, theo đó có thể cải thiện đáng kể các BCI và khả năng duy trì ổn định trong quá trình sử dụng.

BCI hoạt động theo 4 bước chính: thu tín hiệu, tiền xử lý tín hiệu, giải mã / mã hoá và điều khiển / phản hồi. Ngày nay, một số ít trung tâm nghiên cứu và hãng công nghệ cao đã có thể sản xuất hoặc cung cấp những thành phẩm thực hiện tốt cả 4 chức năng đó. Điều đặc biệt là BCI cho phép tương tác hai chiều: thông tin đi ra từ não và não tiếp nhận dữ liệu từ bên ngoài đi vào. Tháng 5/2019, Trung Quốc công bố đã phát triển chip Brain Talker có thể giải mã thông tin sóng não. Rồi tỷ phú Elon Musk lại gây thêm bất ngờ cho thế giới bởi dự án Neuralink cấy chip vào não để điều khiển máy tính, giúp tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào cơ thể người.

Xin lưu ý một bài báo đăng từ 2017 trên tạp chí khoa học nổi tiếng Nature đã đưa ra 4 giới hạn đạo đức cho sự phát triển của công nghệ thần kinh, trong đó quyền riêng tư được đặt lên hàng đầu. Ngày nay, người sử dụng điện thoại thông minh đang hy sinh ít nhiều sự riêng tư khi phải cho phép các tiện ích di động truy cập vào lịch sử duyệt web, bản đồ định vị GPS, hoặc micro, camera, v.v.. Tương tự như thế, việc cấy ghép chip vào não người cũng ẩn chứa những mối nguy mà người sử dụng phải ý thức được một cách đầy đủ.