MỘT BẢN SAO SỐ CHO MỖI TAI ĐƯỢC CẤY GHÉP

Ốc tai điện tử là một bộ phận giả thần kinh (neural prosthesis). Bác sĩ phẫu thuật luồn một dãy điện cực vào ốc tai, ở tai trong, và các điện cực kích thích trực tiếp các sợi của dây thần kinh thính giác bằng xung điện, bỏ qua phần tai trong đã bị tổn thương. Một bộ xử lý bên ngoài biến âm thanh thành chỉ lệnh; mỗi điện cực đảm nhận một dải tần số, vì các sợi thần kinh nằm sâu hơn trong ốc tai tạo ra cảm giác âm trầm còn các sợi nông hơn tạo cảm giác âm cao.

Kết quả chênh lệch rất lớn. Nhiều người dùng hiểu lời nói tốt; theo các tác giả, những người khác chỉ nhận được chút ít hơn việc biết là có âm thanh và được hỗ trợ khi đọc khẩu hình. Một yếu tố đã biết là chất lượng của giao diện điện–thần kinh (electro-neural interface): hình dạng tai, vị trí cuối cùng của các điện cực, cách các mô dẫn điện, và số sợi thần kinh còn khỏe mạnh. Bản chất vật lý ở đây vốn thô: tối đa 22 điểm tiếp xúc phải kích thích tới khoảng 30.000 sợi, nên mỗi điện cực kích thích cả một đám sợi rộng, chồng lấn lên nhau.

Hiện nay, chuyên viên thính học điều chỉnh thiết lập của từng bệnh nhân — gọi là “bản đồ” (map) — chủ yếu dựa trên cảm nhận của chính bệnh nhân, và não có thể cần nhiều tuần hoặc nhiều tháng để thích nghi với một bản đồ mới.

Một chiếc tai ảo, dựng từ dữ liệu khách quan

Erin Bratu ở Đại học Rennes, Jack Noble ở Đại học Vanderbilt và các đồng nghiệp tại Trung tâm Y khoa Đại học Vanderbilt, Đại học Washington ở St. Louis và Đại học Y khoa Nam Carolina đã dựng một bản sao số (digital twin) của giao diện ở từng bệnh nhân, gồm ba lớp:

1. Giải phẫu. Ảnh chụp CT lâm sàng không thể cho thấy bên trong ốc tai, nên nhóm khớp một mô hình hình dạng được học từ ảnh micro-CT độ phân giải cao của 16 ốc tai từ thi thể hiến tặng, sắc nét hơn khoảng mười lần. Vị trí các điện cực được xác định tự động trên ảnh chụp sau phẫu thuật, và các sợi thần kinh vô hình được tái dựng thành 75 bó.
2. Điện. Một bản đồ 3D các mô — dịch, mô mềm, thần kinh, xương — cho phép mô hình tính toán dòng điện lan tỏa ra sao. Điện trở của mô được tinh chỉnh cho đến khi điện áp mô phỏng khớp với điện áp mà thiết bị cấy ghép ghi được trên các điện cực đang nghỉ; mô sẹo được thêm vào khi số liệu ghi nhận đòi hỏi.
3. Thần kinh. Một mô hình lý sinh của sợi thần kinh, mở rộng lên quy mô bó, dự đoán phản ứng tổng thể của dây thần kinh. Sau đó số sợi khỏe mạnh trong mỗi bó được điều chỉnh cho đến khi mô hình khớp với cách phản ứng của dây thần kinh tăng theo cường độ dòng điện, một đường cong mà chính thiết bị cấy ghép có thể ghi lại.

Từ đó, nhóm tính ra một điểm sức khỏe thần kinh duy nhất cho mỗi bệnh nhân.

Những gì các bản sao số dự đoán

Nghiên cứu bao gồm 30 người dùng ốc tai điện tử.

• Những phản ứng mà mô hình chưa từng được huấn luyện. Các bản sao số dự đoán một loại phép đo thần kinh thứ hai với sai số trung vị dưới 50 microvolt; ngay cả trường hợp tệ nhất vẫn giữ đúng hình dạng tổng thể.
• Lời nói. Điểm sức khỏe thần kinh tương quan mạnh với khả năng nhận biết từ trong yên tĩnh và nhận biết câu giữa tiếng nhiều người nói chuyện ồn ào. Bài báo báo cáo hệ số tương quan khoảng 0,75 và 0,78 — dù phần tóm tắt và phần kết quả hoán đổi giá trị nào ứng với bài kiểm tra nào. Dù thế nào, điểm này giải thích được 50 đến 60% khác biệt về khả năng hiểu lời nói giữa các bệnh nhân. Theo hiểu biết của các tác giả, không có yếu tố đơn lẻ nào được báo cáo trong y văn giải thích được nhiều hơn.
• Điều chỉnh lại. Trong một thử nghiệm sơ bộ với sáu người dùng có kinh nghiệm, nhóm đã tắt một nửa số điện cực trong vùng mà sức khỏe thần kinh có vẻ kém nhất — từ 2 đến 6 trong số 22. Khả năng nhận biết từ tăng trung bình 10 điểm phần trăm; năm trong sáu người kết thúc trên mức điểm ban đầu, không ai giảm đáng kể, và tất cả đều chọn giữ bản đồ mới.

Từ bằng chứng khái niệm đến thử nghiệm

Các bản sao số chỉ có thể được kiểm chứng gián tiếp, vì chỉ có khám nghiệm sau khi chết mới cho thấy tình trạng thật của dây thần kinh. Mô hình coi các sợi phát xung hoàn toàn đồng bộ, điều có lẽ khiến số sợi khỏe mạnh bị đánh giá thấp, và bỏ qua các hiệu ứng thời gian; nó cần một ảnh chụp CT sau phẫu thuật, kèm theo liều tia X; và mọi thiết bị cấy ghép đều đến từ cùng một nhà sản xuất. Thử nghiệm điều chỉnh lại không có nhóm đối chứng và việc theo dõi không đều đặn.

Điểm nổi bật là dữ liệu đầu vào: chỉ có ảnh chụp và các bản ghi của chính thiết bị cấy ghép, hoàn toàn không dựa vào lời kể của bệnh nhân. Điều đó có thể giúp những người khó mô tả những gì họ nghe được, như trẻ nhỏ. Một thử nghiệm lâm sàng tiến cứu có đối chứng về việc điều chỉnh lại dựa trên sức khỏe thần kinh hiện đang được chuẩn bị.