Cách ghi lại 1 triệu tế bào thần kinh trong thời gian thực
Một phương pháp mới sáng tạo có thể cho phép các nhà khoa học dịch thông tin đến từ hơn 1 triệu tế bào thần kinh cùng một lúc, cũng như giải mã hoạt động khi nó xảy ra.
Trong vài thập kỷ qua, lượng dữ liệu được tạo ra trong cuộc sống hàng ngày đã bùng nổ.
Ví dụ: khi bạn đi bộ xuống phố, điện thoại di động của bạn sẽ thu thập thông tin về số bước bạn đã đi.
Khi bạn mua thứ gì đó trong cửa hàng bằng thẻ của mình, ngân hàng sẽ biết bạn đã mua gì, giá bao nhiêu và bạn đang ở đâu.
Tương tự như vậy, cửa hàng biết liệu bạn đã mua thứ gì đó tương tự ở đó trước đây hay chưa.
Dữ liệu có thể được thu thập hiệu quả hơn bao giờ hết, nhưng thách thức bây giờ là hiểu chúng ta nên làm gì với chúng (nếu có). Chúng ta có những con số - nhưng chúng có ích gì cho chúng ta không?
Một bước nhảy vọt khổng lồ cho khoa học thần kinh
Tình hình tương tự trong khoa học thần kinh, trong đó những bước tiến lớn đã được thực hiện trong việc thu thập một lượng lớn dữ liệu từ não. Các nhà khoa học hiện có thể lắng nghe và giao tiếp với một số lượng lớn các tế bào não cùng một lúc.
Mặc dù tiến bộ này đã được chứng minh là hữu ích trong chẩn đoán, điều trị và nghiên cứu, nhưng tiềm năng đầy đủ của nó vẫn chưa được thực hiện. Tốc độ xử lý dữ liệu sau khi chúng được thu thập vẫn là một trở ngại đáng kể.
Xử lý dữ liệu đang nhanh chóng trở thành một nút thắt cổ chai đối với những tiến bộ đạt được trong các lĩnh vực khoa học thần kinh khác. Ví dụ, nếu dữ liệu từ não có thể được thu thập và hiểu trong thời gian thực, có thể tạo ra những bước tiến lớn trong việc điều khiển cánh tay robot ở những người bị liệt, hoặc thậm chí giúp dự đoán các cơn động kinh sắp xảy ra.
Để đạt được những mục tiêu này, dữ liệu đại dương rộng lớn phải được phân tích và tính toán rất nhanh chóng.
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Neuronano tại Đại học Lund, Thụy Điển đã nghiên cứu vấn đề này. Họ đã đưa ra một phương pháp có khả năng giao tiếp trong thời gian thực với hàng triệu tế bào thần kinh.
Phát hiện của họ gần đây đã được công bố trên tạp chí Tin học thần kinh.
Hệ thống của họ không chỉ có thể lắng nghe tiếng nói chuyện của tế bào não mà còn có thể chuyển nó thành một đầu ra có ý nghĩa gần như ngay lập tức - trong vòng 25 mili giây. Bí mật cho khả năng mới này là một định dạng dữ liệu cụ thể được gọi là Định dạng dữ liệu phân cấp và một quá trình được gọi là mã hóa bit.
“Việc ghi trực tiếp các tín hiệu tế bào thần kinh thành bitcode làm tăng đáng kể dung lượng lưu trữ. Tuy nhiên, lợi ích lớn nhất là phương pháp này cho phép chúng tôi lưu trữ thông tin theo cách làm cho thông tin có sẵn ngay lập tức cho bộ xử lý của máy tính ”.
Jens Schouenborg, giáo sư sinh lý học thần kinh, Trung tâm Nghiên cứu Neuronano
Tương lai của khoa học thần kinh
Martin Garwicz - đồng thời là giáo sư sinh lý học thần kinh tại Trung tâm Nghiên cứu Neuronano - giải thích cách phương pháp của họ đi trước các biện pháp can thiệp khác (chẳng hạn như điện não đồ, trong đó các điện cực được đặt trên da đầu).
“Hãy tưởng tượng rằng bạn muốn nghe 10 người trong phòng bên cạnh đang nói về điều gì. Nếu bạn nghe bằng cách áp tai vào tường, bạn sẽ chỉ nghe thấy những tiếng xì xào, nhưng nếu bạn đặt micrô vào mỗi người trong phòng, nó sẽ biến đổi khả năng hiểu cuộc trò chuyện của bạn, ”ông nói.
“Và sau đó,” Garwicz nói thêm, “hãy nghĩ về việc có thể lắng nghe một triệu cá nhân, tìm ra các mẫu trong những gì được truyền đạt và phản hồi ngay lập tức - đó là điều mà phương pháp mới của chúng tôi có thể làm được”.
Phương pháp luận mới này cho phép lưu lượng truy cập hai chiều: thông điệp từ các tế bào thần kinh có thể được đối chiếu và phản hồi có thể được gửi lại. Công nghệ này dựa trên cách mà lưu lượng được chuyển đổi thành bitcode.
“Một lợi ích đáng kể của kiến trúc và định dạng dữ liệu này là nó không yêu cầu dịch thêm vì tín hiệu của não được dịch trực tiếp sang mã bit. Điều này có nghĩa là một lợi thế đáng kể trong tất cả các giao tiếp giữa não và máy tính, đặc biệt là liên quan đến các ứng dụng lâm sàng. ”
Tác giả chính của nghiên cứu Bengt Ljungquist
Trong tương lai, mô hình này có thể giúp khoa học thần kinh đạt được những tiến bộ to lớn. Trong khi giao diện não-máy và giao diện não-máy tính đã được cải thiện rất nhiều trong những năm gần đây, chúng thường gặp trở ngại khi xử lý dữ liệu.
Nếu hệ thống mã bit thành công, khối này có thể được chuyển từ đường dẫn của chúng.
