Khoa học thần kinh tính toán (tiếng Anh Computational Neuroscience) là ngành khoa học liên ngành với mục đích nghiên cứu chức năng của não bộ trong việc xử lý thông tin, cấu trúc sinh học và cơ chế của hệ thần kinh trung ương nhằm tăng cường hiểu biết về não bộ̣/hệ thần kinh trung ương, đưa ra lời giải cho các bệnh lý thần kinh nan y và phát triển các mô hình tính toán mô phỏng hệ thần kinh kinh trung ương và các mô hình tính toán mô phỏng cấu trúc và cơ chế này. Khoa học thần kinh tính toán liên kết nhiều lĩnh vực như khoa học thần kinh, trí tuệ nhân tạo, khoa học tính toán nhận thức, tâm lý học, kỹ thuật điện tử, khoa học má́y tính, toán học và vật lý…

Các khái niệm cơ bản

Não bộ là trung tâm điều khiển của hệ thần kinh trung ương. Não bộ đóng vai trò quan trọng nhất trong việc điều phối các hoạt động của các cơ quan khác. Được cấu tạo bởi khoảng 100 tỉ tế bào thần kinh, não bộ là một trong những bộ phận sinh học phức tạp nhất trong trong cơ thể con người, có chức năng quan trọng là sản sinh ra ý thức. Khi mới sinh, trung bình não của một đứa trẻ nặng khoảng 450g, thời thơ ấu nặng khoảng 910g; đến khi trưởng thành, trung bình não bộ của người phụ nữ nặng 1220g, nam giới nặng khoảng 1360g.

Tế bào thần kinh (còn được gọi là nơ-ron) là đơn vị cơ bản cấu thành hệ thống thần kinh. Trong quá trình não bộ hoạt động, tế bào thần kinh, được liên kết bởi các dây dẫn thần kinh, tập hợp lại và phát xung điện kích hoạt các chức năng thần kinh. Cấu trúc tế bào thần kinh được chia làm 3 phần chính là thân tế bào, các đuôi gai và sợi trục thần kinh axon. Chức năng cơ bản của nơ-ron là cảm ứng và dẫn truyền xung thần kinh.

Mạng học sâu là mạng nơ-ron nhân tạo gồm nhiều lớp, mỗi lớp lại có số lượng lớn các nút (tượng trưng cho các tế bào thần kinh) mô phỏng cấu trúc hoạt động của não bộ thông qua cơ chế trích xuất, tái hiện lại các lớp trừu tượng khác nhau từ thông tin dữ liệu đầu vào để tạo nên một bộ trọng số phù hợp.

Bệnh xơ cứng teo cơ một bên hay hội chứng ALS là một bệnh lý liên quan đến hệ thống thần kinh, ảnh hưởng đến các tế bào thần kinh trong não và tủy sống, gây mất kiểm soát cơ bắp dần dẫn bệnh nhân đến tình trạng liệt. Các nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học thần kinh tính toán giúp tìm hiểu cơ chế gây bệnh, tìm ra hướng chữa và điều trị cũng như cung cấp các giải pháp hỗ trợ người bị ALS tương tác với môi trường bên ngoài (ví dụ sử dụng các hệ đánh vần bằng ánh mắt hay giao diện não máy tính).

Hệ giao diện não máy tính Giao diện não-máy tính BCI là một cách thức truyền thông giữa não và các thiết bị bên ngoài thông qua một hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu từ não bộ. Có nhiều cách thức để thực hiện các hệ BCI trong đó sử dụng tín hiệu điện não là cách thức phổ biến nhất.

Lịch sử phát triển

Thuật ngữ khoa học thần kinh tính toán được Eric L. Schwartz giới thiệu tại một hội thảo khoa học ở Carmel, California vào năm 1985. Trước khi có tên gọi này, lĩnh vực này (hoặc lĩnh vực tương tự) sử dụng các thuật ngữ khác nhau là mô hình hóa thần kinh, lý thuyết về não bộ hoặc mạng lưới thần kinh.

Từ những năm 1850, nhà khoa học Louis Lapicque đã giới thiệu hiện tượng tế bào thần kinh tích hợp và giải phóng.

Đến khoảng những năm 1950, các nhà khoa học David Hubel và Torsten Wiesel đã thực hiện các thí nghiệm trên mèo để kiểm chứng sự kích hoạt các tế bào thần kinh khi võng mạc nhìn thấy nguồn sáng di chuyển. Qua đó các nhà khoa học quan sát được hiện tượng (i) tế bào thần kinh chỉ kích hoạt trong một số trạng thái nhất định và (ii) hoạt động của tế bào thần kinh thay đổi theo vị trí và góc chiếu sáng.

Năm 2019, trong một bài báo đăng trên tạp chí Science về lĩnh vực tính toán khoa học thần kinh, Gonzalez Walter G. thông qua việc nghiên cứu một thành phần của não bộ là thùy cá ngựa đã phần nào lý giải được vì sao chúng ta lưu trữ được trí nhớ; vì sao trong một số trường hợp trí nhớ được lưu nhanh hơn và trong một số trường hợp khác lại dễ bị lãng quên. Thậm chí, bằng cách sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo, các nhà khoa học có thể giải mã thông sinh ra bởi não bộ và chuyển đổi thành các câu nói tương ứng.

Những hiểu biết thu được trong quá trình phát triển ngành khoa học thần kinh tính toán còn đóng góp trực tiếp vào sự ra đời của các mô hình tính toán mới dựa trên mô phỏng hoạt động của hệ thần kinh trung ương. Một trong những phát kiến đó là việc tạo ra mạng nơ-ron nhân tạo. Bắt đầu từ những năm 1940, các nhà khoa học S. McCulloch và W. Pitts đã bắt đầu thực hiện dự án tạo ra bộ não điện tử. Đây là cơ sở để hình thành mạng nơ-ron nhân tạo trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo với nhiều ứng dụng thực tiễn sau này. Các thuật toán huấn luyện lan truyền ngược và mạng nơ-ron nhiều lớp học sâu niềm tin được giới thiệu vào các năm 1986 và 2006 làm cho các nghiên cứu về tính toán khoa học thần kinh ngày càng được quan tâm hơn.

Ứng dụng thực tiễn

• Chẩn đoán và điều trị các bệnh lý thần kinh như tự kỷ, ALS, mất trí nhớ Alzheimer…
• Phục hồi các chức năng do tổn thương của não bộ
• Hệ giao diện não máy tính trong lĩnh vực tương tác người máy
• Phát triển hệ thống điều khiển trung tâm của các thiết bị tự hành hay robot công nghiệp tự động
• Công nghệ tiếp thị thần kinh trong đánh giá nhu cầu, cảm nhận người sử dụng dựa trên việc phân tích tín hiệu thu được từ não bộ

Triển vọng phát triển

Khoa học thần kinh tính toán nhận được sự quan tâm của cả giới nghiên cứu hàn lâm cũng như các tập đoàn công nghệ và các chính phủ. Các nước phát triển về khoa học công nghệ như Mỹ, châu Âu, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc… đều giành những nguồn lực lớn ưu tiên nghiên cứu, phát triển lĩnh vực này. Gần đây một số tập toàn công nghệ như Facebook hay Neuralink bắt đầu quan tâm đến lĩnh vực này. Các tập đoàn này đang đầu tư những dự án quy mô lớn nhằm ứng dụng công nghệ tương tác người máy dựa trên kết nối thần kinh để thu nhận hoặc truyền tải thông tin trực tiếp từ não người tới máy tính với tốc độ rất cao. Những dự án trong lĩnh vực này hứa hẹn sẽ đem đến những phát kiến mới và có lợi ích to lớn cho loài người.

Các vấn đề liên quan ở Việt Nam

Nghiên cứu về khoa học thần kinh tính toán ở Việt Nam đang nhận được sự quan tâm và đầu tư phát triển, tuy vẫn chưa đủ để phát triển thành một lĩnh vực khoa học mũi nhọn theo hướng ứng dụng như tiềm năng có thể có. Gần đây lực lượng nghiên cứu về lĩnh vực này có sự cải thiện đáng kể về chất và lượng tuy nhiên các nhóm nghiên cứu mạnh vẫn chủ yếu tập trung tại các đơn vị nghiên cứu và trường đại học top đầu. Các thiết bị để thu thập tín hiệu, hình ảnh và thông tin từ não bộ vốn đắt tiền và chưa được trang bị đầy đủ cho các phòng thí nghiệm, trung tâm nghiên cứu hay thậm chí trong các cơ sở y tế trên cả nước.

Tài liệu tham khảo

1. Gonzalez, Walter G. and Zhang, Hanwen and Harutyunyan, Anna and Lois, Carlos (2019) Persistence of neuronal representations through time and damage in the hippocampus. Science, 365 (6455). pp.821-825. ISSN 0036-8075
2. Makin, J. G., Moses, D. A. and Chang, E. F., 2020. Machine translation of cortical activity to text with an encoder–decoder framework (pp.1-8). Nature Publishing Group.
3. De Schutter E (2008) Why Are Computational Neuroscience and Systems Biology So Separate? PLoS Comput Biol 4 (5): e1000078. https: //doi.org/10.1371/journal. pcbi.1000078