Đột phá tế bào thần kinh nhân tạo: cầu nối giữa điện tử và sinh học

Đầu tháng 10 năm 2025, các nhà nghiên cứu tại Đại học Massachusetts Amherst (UMass Amherst) đã công bố một bước tiến lịch sử trong lĩnh vực sinh học tổng hợp và kỹ thuật điện tử: tạo ra tế bào thần kinh nhân tạo đầu tiên có khả năng giao tiếp trực tiếp với tế bào sống mà không cần khuếch đại tín hiệu.

Sử dụng protein nanowires từ vi khuẩn Geobacter sulfurreducens, những neuron nhân tạo này hoạt động ở mức điện áp thấp chỉ 0,1 volt – tương đương với neuron sinh học – giúp vượt qua rào cản lâu năm giữa "ngôn ngữ" electron của máy móc và ion cùng chất dẫn truyền thần kinh của cơ thể sống. Phát hiện này, được đăng trên tạp chí Nature Communications, không chỉ mở ra hy vọng chữa trị các bệnh thoái hóa thần kinh mà còn cách mạng hóa điện toán neuromorphic, nơi máy tính bắt chước não bộ để đạt hiệu suất năng lượng vượt trội. Trong bối cảnh toàn cầu hóa AI và y học cá nhân hóa, công nghệ này hứa hẹn làm mờ ranh giới giữa con người và máy móc, mang lại lợi ích to lớn cho sức khỏe và công nghệ.

Lịch sử nghiên cứu về giao tiếp giữa điện tử và sinh học đã kéo dài hàng thập kỷ, với thách thức lớn nhất nằm ở sự khác biệt cơ bản về phương thức truyền tín hiệu. Máy móc sử dụng electron để xử lý thông tin, trong khi neuron sinh học dựa vào dòng ion (như natri, kali) và chất dẫn truyền thần kinh như dopamine hay acetylcholine để tạo xung điện. Các thiết bị trước đây thường yêu cầu điện áp cao hơn 10 lần và năng lượng gấp 100 lần, dẫn đến rủi ro làm gián đoạn hoặc hủy hoại tế bào sống khi kết nối. Nhóm nghiên cứu tại UMass Amherst, dẫn đầu bởi phó giáo sư Jun Yao và nghiên cứu sinh Shuai Fu (hay Tianda Fu trong một số báo cáo), đã giải quyết vấn đề này bằng cách khai thác protein nanowires từ vi khuẩn Geobacter sulfurreducens – một loài vi khuẩn sản sinh điện tự nhiên trong môi trường thiếu oxy. Những nanowires này được tích hợp vào memristor (bộ nhớ điện trở), một linh kiện có khả năng "nhớ" trạng thái điện, kết hợp với mạch RC đơn giản để mô phỏng quá trình tích điện và phóng điện của neuron.

Cụ thể, neuron nhân tạo hoạt động ở mức điện áp 0,1 volt, tạo ra xung điện với năng lượng chỉ vài picojoules mỗi xung – gần sát với 0,3-100 picojoules của neuron sinh học. Chúng có thể phản ứng với cả tín hiệu điện và hóa học: nồng độ natri cao tăng tần số xung, trong khi dopamine tạo hiệu ứng ambipolar, kích thích ở mức thấp và ức chế ở mức cao, giống như cơ chế điều hòa trong não bộ. Trong thí nghiệm, neuron nhân tạo đã kết nối thành công với tế bào tim sống trong đĩa nuôi cấy, giữ im lặng ở nhịp đập bình thường 0,4 Hz nhưng đồng bộ hóa khi norepinephrine tăng nhịp lên 0,6 Hz. Điều này chứng minh khả năng giao tiếp hai chiều, nơi thiết bị không chỉ nhận mà còn xử lý và phản hồi tín hiệu từ tế bào sống mà không cần khuếch đại, giảm thiểu phức tạp và tiêu thụ năng lượng.

Ứng dụng y học của công nghệ này đặc biệt hứa hẹn, đặc biệt trong điều trị bệnh thoái hóa thần kinh. Với hơn 55 triệu người mắc Alzheimer toàn cầu theo Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), neuron nhân tạo có thể tạo synapse lai (hybrid synapses) để sửa chữa hoặc thay thế kết nối synap bị suy giảm, làm chậm mất trí nhớ và phục hồi chức năng nhận thức. Đối với bệnh Parkinson, ảnh hưởng đến 10 triệu người, thiết bị có thể cấy ghép để kích thích mạch thần kinh, kiểm soát rung giật và cử động không tự chủ bằng cách điều chỉnh dopamine. Trong chấn thương tủy sống hoặc đột quỵ, neuron nhân tạo có thể làm cầu nối giữa vùng não bị đứt gãy, hỗ trợ phục hồi vận động và cảm giác mà không gây viêm hoặc từ chối miễn dịch nhờ vật liệu sinh học tương thích. Hơn nữa, trong wearable devices, chúng cho phép theo dõi sức khỏe thời gian thực mà không cần pin lớn, như phát hiện độc tố hoặc theo dõi nhịp tim mà không khuếch đại tín hiệu, giảm chi phí và tăng độ chính xác.

Ngoài y học, phát hiện này thúc đẩy điện toán neuromorphic – lĩnh vực xây dựng máy tính bắt chước não bộ để đạt hiệu suất cao với năng lượng thấp. Não người xử lý dữ liệu phức tạp chỉ với 20 watt, trong khi siêu máy tính như Fugaku tiêu thụ hàng megawatt. Neuron nhân tạo từ UMass có thể tạo chip AI tiết kiệm năng lượng gấp hàng trăm lần, giảm gánh nặng cho trung tâm dữ liệu – nơi tiêu thụ 1-2% điện toàn cầu theo IEA. Chúng hỗ trợ hệ thống lai, nơi thành phần điện tử và sinh học hợp tác xử lý thông tin, mở đường cho AI probabilistic computing với khả năng học tập và thích ứng như não bộ. So với chip neuromorphic silicon như Intel Loihi hay IBM TrueNorth, thiết kế dựa trên protein nanowires đơn giản hơn, dễ tích hợp và ít tốn kém hơn, dù thách thức nằm ở việc mở rộng quy mô và đảm bảo độ ổn định công nghiệp.

Công nghệ còn vượt trội về bảo mật và bền vững, với an toàn từ thiết kế - "Security by Design" tương tự các hệ thống Siemens, dù không trực tiếp liên quan. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Army Research Office, NSF, NIH và Alfred P. Sloan Foundation, nhấn mạnh tiềm năng quân sự và dân sự.

Phát hiện về tế bào thần kinh nhân tạo tại UMass Amherst đánh dấu một kỷ nguyên mới, nơi điện tử và sinh học hòa quyện để giải quyết thách thức sức khỏe và công nghệ. Bằng cách sử dụng protein nanowires tự nhiên, công nghệ này không chỉ chữa trị bệnh thoái hóa thần kinh mà còn tạo nền tảng cho máy tính siêu tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải carbon từ AI. Tuy nhiên, thách thức như mở rộng sản xuất và kiểm tra lâm sàng vẫn tồn tại, đòi hỏi hợp tác quốc tế. Tương lai hứa hẹn các thiết bị cấy ghép thông minh và AI giống não bộ hơn, mang lại cuộc sống tốt đẹp hơn cho nhân loại.

Vista.gov.vn