Giới thiệu

Sức mạnh của những máy tính mới tăng lên cùng với sự hiểu biết của chúng ta về trí não con người , chúng ta đã ngày càng đi gần hơn tới những nền khoa học không tưởng một cách kì diệu tới gần với thực tế . Những tín hiệu truyền từ trí tưởng tượng trực tiếp tới một bộ não của một ai đó sẽ cho phép hộ nhìn thấy , nghe thấy hoặc đi vào từ những giác quan riêng biệt . Từ đó chúng ta liên tưởng tới những máy tính được điều khiển bằng tay hoặc những máy móc làm việc chỉ bằng sự suy nghĩ của con người . Nó không chỉ thuận lợi cho những người khuyết tật , mà sự phát triển của Giao diện giữa trí não và máy tính BCI ( Brain – Computer Interface ) có thể sẽ là công nghệ quan trọng nhất xuyên suốt nhiều thập kỉ . Trong bài này chúng ta sẽ xem BCI làm việc kiểu như thế nào , những hạn chế của nó và tương lai của chúng sẽ như thế nào

Não điện

Lí do BCI làm việc là do cách làm việc của trí não chúng ta . Trí não của con người chứa đầy Neuron . Những tế bào thần kinh nói tới tế bào khác bằng những sợi thần kinh theo hình cây . Bất kì lúc nào chúng ta nghĩ , di chuyển , sờ mó hoặc nhớ một cái gì đó , thì Neuron của chúng ta đang làm việc  . Công việc đó đưa ra những tín hiệu điện rất nhỏ mà chuyển từ Neuron tới Neuron với tốc độ 450km/giờ . Những tín hiệu này được tạo ra bằng sự chênh lệch của những Ion điện thế tích điện trên màng của mỗi Neuron .

Mặc dù những đường mang tín hiệu được cách li với nhau bằng cái gọi là Myelin , nhưng một số tín hiệu điện vẫn thoát ra bên ngoài được . Những nhà khoa học có thể phát hiện được những tín hiệu đó và hiểu rằng chúng có nghĩa là gì và dùng chúng để điều khiển thiết bị theo phương thức như vậy . Nó cũng có thể làm việc theo cách khác cũng gần như vậy . Ví dụ , những nhà nghiên cứu có thể tính toán xem những tín hiệu nào được gửi tới trí não bằng dây thần kinh thị giác khi con người nhìn vào màu đỏ . Chúng có thể như là một Camera mà gửi những tín hiệu chính xác vào trí não của con người như mỗi khi Camera nhìn thấy màu đỏ , điều đó cho phép người bị mù xem mà không cần bằng mắt ..

Tính mềm dẻo của vỏ não

Nhiều năm trước mọi người cho rằng não của người lớn là một cơ quan cố định . Khi chúng ta lớn lên , đứa trẻ được đi học , não của con người tự sắp xếp và học hỏi những kinh nghiệm mới , nhưng cuối cùng là những nếp nhăn ở trạng thái không thay đổi .

 Bắt đầu từ những năm 1990 , những nhà nghiên cứu chỉ ra rằng trí não của chúng ta vô cùng linh hoạt cả khi ở tuổi già . Khái niệm này được biết với cái tên gọi là Độ nền dẻo của vỏ não , có nghĩa là trí não có thể sửa lại theo những cách vô cùng kinh ngạc để phù hợp với những tình huống mới . Học một cái gì mới hoặc cùng tham gia những hoạt động lạ thường theo những kiểu liên kết mới giữa những Neuron và giảm mạnh theo thời gian . Nếu người lớn bị tổn thương não thì những phần khác của não có khả năng đảm đương những chức năng của những phần bị phá huỷ .

 Tại sao đó lại là quan trọng đối với BCI ? Đó có nghĩa là người lớn có thể học để hoạt động cùng với BCI , trí não của họ tạo ra những kiểu kết nối mới cùng kết hợp với những Neuron . Điều đó cũng có nghĩa là trí não có thể điều chỉnh tương tự như những lệnh liên quan và phát triển những kết nối mới được ghi vào trong trí não như là một phần của bộ não tự nhiên .

 BCI Vào / Ra

 Một trong những thách thức lớn nhất mà những nhà nghiên cứu Giao diện BCI phải đối mặt ngày nay đó là kỹ thuật cơ bản của giao diện này . Phương pháp dễ nhất và ít sự can thiệp nhất đó là dùng những điện cực , thiết bị được biết với tên gọi Chụp não điện EEG ( Electroencephalograph ) , gắn với da đầu . Điện cực có thể đọc những tín hiệu não . Tuy nhiên sọ não ngăn chặn nhiều tín hiệu điện , và làm sai lệch những gì đi qua .

Để có được tín hiệu độ phân giải cao , những nhà khoa học có thể cấy dưới da những điện cực trực tiếp vào trong bộ não hoặc trên bề mặt bộ não , bên dưới lớp xương sọ . Điều này cho phép thu nhận trực tiếp nhiều tín hiệu điện hơn và cho phép đặt điện cực trong vùng riêng biệt của bộ não mà ở đó có những tín hiệu thích hợp được phát ra . Tuy nhiên phương pháp tiếp cận như vậy có nhiều vấn đề . Nó yêu cầu phẫu thuật bên trong để cấy ghép những điện cực , và những thiết bị này đặt trong bộ não một thời gian dài sẽ tạo thành những mô vết sẹo trong chất xám chúng ta .  Những mô sẹo này lại ngăn chặn những tín hiệu phát ra .

 Nếu không quan tâm tới vị trí của những điện cực , thì những kỹ thuật cơ bản khác là như nhau : Những điện cực đo những sự chênh lệch điện áp nhỏ nhất giữa những Neuron . Tín hiệu này được khuyếch đại và được lọc . Trong những hệ thống BCI hiện nay , nó được chương trình máy tính hiểu .

 Trong trường hợp BCI vào giác quan , quá trình xử lí xảy ra ngược lại . Máy tính chuyển đổi tín hiệu , như là tín hiệu từ Video Camera , thành điện áp cần thiết tới những Neutron . Những tín hiệu này được gửi tới mô cấy trong vùng thích hợp của bộ não , và nếu mọi thứ làm việc đúng , những Neuron bị kích thích và nhận ra những vật thể tương ứng với hình ảnh mà Camera đã nhìn thấy .

 Cách khác để đo hoạt động của bộ não bằng MRI – Hình ảnh cộng hưởng từ ( Magnetic Resonance Image ) . Máy MRI là một thiết bị đồ sộ và phức tạp . Nó tạo ra hình ảnh với độ phân giải rất cao của hoạt động trí não , nhưng nó không thể được dùng như là một phần của BCI lâu dài được . Những nhà nghiên cứu dùng nó để nhận phép thử cho những chức năng bộ não nào đó hoặc sắp xếp vị trí trong những điện cực bộ não có thể đặt để đo những chức năng riêng biệt nào đó . Ví dụ nếu những nhà nghiên cứu đang cố gắng cấy những điện cực mà sẽ cho phép ai đó điều khiển cánh tay máy bằng suy nghĩ , họ có thể đầu tiên đặt người thí nghiệm vào MRI và yêu cầu người này nghĩ về sự chuyển động của cánh tay thật của mình . MRI sẽ chỉ cho thấy vùng nào trên não được hoạt động khi di chuyển cánh tay , điều đó cho phép biết được vị trí chính xác để đặt điện cực .

 Những ứng dụng BCI

 Một trong những mối quan tâm hàng đầu của việc nghiên cứu BCI là sự phát triển của những thiết bị mà có thể điều khiển bằng ý nghĩ . Một số ứng dụng của công nghệ này có thể xem như là phù phiếm , như khả năng điều khiển Video Game bằng ý nghĩ . Nếu bạn nghĩ điều khiển từ xa là tiện lợi thì điều khiển bằng trí não lại gây cho bạn sự phiền phức .

 Tuy nhiên sẽ có những viễn cảnh tốt hơn đó là những thiết bị cho phép những người khuyết tật sử dụng được những chức năng đơn giản . Đối với những người bị liệt cả tay lẫn chân thì việc sử dụng trí não điều khiển con trỏ của máy tính cũng sẽ làm cho chất lượng cuộc sống của họ được tăng lên . Nhưng làm thế nào chúng ta dùng được điện áp nhỏ xíu đo được của trí não lại di chuyển được cách tay máy ?

 Ban đầu những nhà nghiên cứu dùng những chú khỉ với những điện cực được cấy bên trong não bộ . Những chú khỉ này dùng Joystick để điều khiển cách tay máy . Những nhà khoa học đo những tín hiệu của những điện cực . Cuối cùng , họ thay đổi sự điều khiển những cách tay máy bằng những tín hiệu từ những điện cực , mà không phải dùng Joystick .

 Nhiệm vụ khó khăn là dịch những tính hiệu của não bộ cho những cử động của một người không thể di chuyển được tay của mình . Với nhiệm vụ như vậy , thì đối tượng phải luyện tập để dùng thiết bị . Bằng EEG hoặc cấy ghép bên trong não bộ đối tượng phải tự hình dung với tay của mình . Sau nhiều lần theo dõi quá trình luyện tập , phần mềm có thể học những tín hiệu để kết hợp với ý nghĩ của tay bị cụt . Phần mềm nối tới tay máy được lập trình để nhận những tín hiệu của tay bị cụt và dịch ra những điều mà cách tay máy phải làm . Khi đó khi đối tượng nghĩ về tay bị cụt , những tín hiệu sẽ được gửi tới để điều khiển cánh tay máy .

 Phương pháp tương tự được dùng để điều khiển con trỏ trong máy tính , đối tượng sử dụng sẽ nghĩ về việc di chuyển của con trỏ như : lên , xuống , trái , phải … Bằng phương pháp như vậy mà người dùng có thể đủ để điều khiển con trỏ vẽ hình tròn , truy cập chương trình trong máy tính , điều khiển Ti vi . Bằng lí thuyết như vậy có thể mở rộng để cho phép người dùng gõ bàn phím bằng ý nghĩ .

 Một khi những vấn đề cơ bản của việc chuyển đổi ý nghĩ tới máy tính hoặc tới những hành động của Robot là hoàn hảo , thì tiềm năng của công nghệ này là gần như không có giới hạn . Thay vì cánh tay máy , những người tàn tật có thể gắn những cánh tay máy mà quay được theo các hướng , cho phép họ cử động và làm những việc trực tiếp với những môi trường xung quanh …

 Những trở ngại và đổi mới với BCI

 Mặc dù chúng ta đã hiểu nguyên lí có bản của BCI , nhưng chúng lại làm việc không hoàn hảo . Có một vài nguyên nhân sau

• Bộ não vô cùng phức tạp . Nếu nói rằng tất cả ý nghĩ hoặc những hành động là những kết quả của tín hiệu điện đơn giản trong bộ não là một việc đã được nói một cách vô cùng đơn giản cho dễ hiểu . Có khoảng 100 tỉ Neuron trong não con người . Mỗi Neuron luôn luôn nhận và gửi những tín hiệu qua hệ thống kết nối phức tạp . Có nhiều quá trình hoá học liên quan mà EEG không thể nhận biết được .
• Tín hiệu yếu và hay bị nhiễu . EEG đo được những điện thế nhỏ . Đôi khi chỉ cần những cái chớp mắt của đối tượng sử dụng cũng sẽ tạo ra những tín hiệu mạnh hơn . Sự phân biệt một cách tinh vi trong EEG và điện cực cấy ghép có thể vượt qua vấn đề như vậy trong tương lai , nhưng bây giờ , những tín hiệu được đọc ra từ bộ não giống như là cuộc kết nối điện thoại mà tín hiệu kém . Có rất nhiều lúc không thể thu được .
• Trang thiết bị phức tạp . Một số thiết bị BCI yêu cầu dây dẫn kết nối tới thiết bị điều khiển khác . Trong tương lai những thiết bị này sẽ nhẹ hơn và bớt dây dợ lằng nhằng hơn .

Mặc dù như vậy những một số công ty đã đi tiên phong trong lĩnh vực BCI . Hầu hết họ vẫn ở giai đoạn nghiên cứu , mặc dù cũng đã có một số sản phẩm được chào bán .

• NASA đã nghiên cứu hệ thống tương tự , nó đọc những tín hiệu điện từ thần kinh của miệng và vùng cổ họng hơn là trực tiếp từ bộ não . Họ đã thực hiện tìm kiếm trên Web bằng cách dùng như vậy khi tìm kiếm NASA trên Google.
• Cyberkinetics Neurotechnology Systems đã chào BrainGate , là hệ thống giao diện thần kinh để cho phép người khuyết tật điều khiển bánh xe , di chuyển con trỏ máy tính , chân tay giả bằng máy .
• Những nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát triển BCI ban đầu cho phép người dùng điều khiển những Avatar trong thế giới Online Second Life .
• Neural Signals đang phát triển công nghệ để khôi phục giọng nói của người khuyết tật . Cấy vào vùng kết hợp với vùng lời nói ( vùng Broca ) có thể truyền tín hiệu tới máy tính và sau đó tới loa . Bằng việc luyện tập đối tượng có thể sử dụng được 39 âm trong tiếng Anh để nói qua loa của máy tính .