Sợi cấy não mảnh như kim làm ba nhiệm vụ cùng lúc bằng cách nào?

Trong thử nghiệm trên chuột, một sợi cấy có đường kính dưới nửa milimét đã làm ba việc: ghi hoạt động điện, đưa chất lỏng và kích thích tế bào thần kinh bằng ánh sáng. Câu trả lời không nằm ở một đầu dò thu nhỏ đơn thuần, mà ở cấu trúc mang tên microfluidic Axialtrode, viết tắt là mAxialtrode: nhiều đường dẫn và điểm chức năng được bố trí dọc theo cùng một sợi mềm. [1]

Thiết kế này nhằm giải quyết một hạn chế quen thuộc của sợi quang dùng trong nghiên cứu não: phần lớn tương tác với mô chỉ tại đầu mút. Khi cần tiếp cận nhiều lớp hoặc vùng ở các độ sâu khác nhau, nhà nghiên cứu có thể phải dùng nhiều thiết bị. mAxialtrode thử gom những nhiệm vụ ấy vào một vật cấy duy nhất, nhưng hiện vẫn chủ yếu là công cụ nghiên cứu, chưa phải phương pháp điều trị cho người. [1]

Ba nhiệm vụ được ghép vào một sợi ra sao?

Ở giữa mAxialtrode là lõi dẫn sáng. Ánh sáng đi qua lõi để tác động lên những tế bào thần kinh đã được chuẩn bị để phản ứng với ánh sáng, theo kỹ thuật optogenetics. Trong thí nghiệm sống, hệ thống truyền được cả ánh sáng xanh và đỏ. Đây là chức năng kích thích, khác với việc chỉ quan sát hoạt động tự nhiên của tế bào. [1]

Bao quanh lõi là tám kênh cực nhỏ có thể vận chuyển chất lỏng. Một số kênh cũng có thể chứa dây kim loại rất mảnh để thu tín hiệu điện. Như vậy, ba nhiệm vụ không được thực hiện bởi một bộ phận duy nhất: lõi quang học mang ánh sáng, kênh vi lưu đưa chất, còn dây dẫn ghi điện. Điểm sáng tạo là đưa chúng vào cùng một cấu trúc mảnh và cho phép sử dụng tại nhiều vị trí dọc thân sợi. [1]

Vì sao nhiều điểm dọc thân sợi lại quan trọng?

Sợi quang đầu phẳng thông thường phát ánh sáng và tiếp xúc chức năng chủ yếu ở đầu xa, tức đầu mút nằm sâu trong mô. Cách bố trí đó phù hợp khi mục tiêu chỉ là một vị trí. Tuy nhiên, các quá trình như trí nhớ, ra quyết định hoặc hoạt động liên quan đến động kinh có thể liên quan đến sự liên lạc giữa nhiều lớp và cấu trúc não. Chỉ tương tác ở đầu mút khiến việc theo dõi các độ sâu khác nhau trở nên hạn chế. [1]

mAxialtrode được thiết kế với nhiều điểm chức năng theo chiều dài. Trong thử nghiệm, các nhà nghiên cứu ghi hoạt động điện ở vùng nông và sâu, gồm vỏ não và hồi hải mã, đồng thời đưa các chất khác nhau vào những độ sâu riêng biệt. Các điểm đưa chất cách nhau gần 3 milimét. Kết quả cho thấy một sợi có thể tiếp cận nhiều vị trí, nhưng chưa chứng minh rằng mọi cách bố trí hoặc mọi vùng não đều có thể dùng cùng một cấu hình. [1]

Một thanh polymer trở thành sợi mảnh bằng cách nào?

Thiết bị bắt đầu từ một thanh polymer lớn hơn nhiều so với sản phẩm hoàn chỉnh. Vật liệu được gia nhiệt rồi kéo thành sợi cực mảnh, trong khi lõi và các kênh bên trong vẫn phải giữ được vai trò riêng. Có thể hình dung quá trình này giống kéo một khối vật liệu thành sợi dài: toàn bộ tiết diện thu nhỏ cùng lúc, thay vì khoan lần lượt tám đường hầm vào một sợi đã hoàn thiện. Đây chỉ là phép so sánh để hiểu nguyên lý thu nhỏ, không mô tả đầy đủ quy trình chế tạo. [1]

Cách chế tạo ấy cho phép các phần tử quang học, vi lưu và điện chạy song song trong một thân sợi. Thách thức của thiết kế không chỉ là làm vật thể thật nhỏ. Ánh sáng vẫn phải truyền qua lõi, chất lỏng phải đi qua kênh, còn dây kim loại phải nhận được tín hiệu. Nếu một thành phần chiếm quá nhiều không gian hoặc làm biến dạng thành phần khác, lợi ích của việc tích hợp sẽ mất đi. [1]

Độ mềm và đầu vát có thể giúp gì cho mô não?

Nhiều thiết bị cấy não hiện dùng vật liệu cứng như silicon. Khi một vật cứng nằm trong mô mềm và hai bên chuyển động không giống nhau, nó có thể gây kích ứng và phản ứng viêm. mAxialtrode dùng sợi quang mềm, có đặc tính gần với nhựa, nên có thể chuyển động cùng mô tốt hơn thay vì liên tục ép cứng vào mô xung quanh. Đây là lý do thiết kế mềm được kỳ vọng hữu ích khi thiết bị phải lưu lại lâu. [1]

Đầu sợi còn được tạo góc thay vì để phẳng. Theo nhóm phát triển, đầu vát làm phần đi vào mô nhỏ hơn và giảm tổn thương khi cấy. Tuy vậy, “mềm” không đồng nghĩa với hoàn toàn không gây tổn thương: thiết bị vẫn phải được đưa xuyên vào não và nối với nguồn sáng, máy ghi cùng bơm chất lỏng. Thử nghiệm trên chuột cho thấy chúng có thể mang sợi nhẹ mà không biểu hiện khó chịu rõ ràng, nhưng quan sát đó không đủ để suy ra độ an toàn lâu dài. [1]

Từ thí nghiệm trên chuột đến điều trị còn xa đến đâu?

Các thử nghiệm trong cơ thể sống xác nhận những chức năng cốt lõi có thể hoạt động đồng thời trên chuột. Giá trị trước mắt của mAxialtrode vì thế nằm ở nghiên cứu: theo dõi tín hiệu đi qua các lớp não, kích thích những vị trí chọn trước và đưa chất tại từng độ sâu mà không phải cắm nhiều đầu dò riêng biệt. Một thiết bị chung cũng giúp các thao tác này diễn ra trong cùng một bố trí thí nghiệm. [1]

Nhóm nghiên cứu nêu động kinh như một hướng có thể khảo sát và đề cập khả năng lâu dài là vừa đưa thuốc chính xác vừa kích thích điện hoặc ánh sáng. Đó là triển vọng, không phải hiệu quả điều trị đã được chứng minh. Kết quả trên chuột chưa trả lời thiết bị sẽ hoạt động thế nào trong não người, duy trì chức năng bao lâu hoặc mô phản ứng ra sao theo thời gian. [1]

Trước khi có thể sử dụng thường quy trên bệnh nhân, công nghệ còn cần phát triển thêm, thử nghiệm rộng hơn và trải qua quy trình phê duyệt. Vì thế, điều đáng chú ý nhất hiện nay không phải lời hứa về một phương pháp chữa bệnh tức thời, mà là cách một sợi rất mảnh đã trở thành nền tảng đa chức năng. Nó biến chiều dài của đầu dò, vốn thường chỉ là đoạn nối tới đầu mút, thành một dãy vị trí có thể phục vụ những nhiệm vụ khác nhau. [1]