Có lẽ không còn lâu nữa, các thiết bị tay cầm chơi game điện tử sẽ trở thành thứ không bắt buộc.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Yale đã phát triển một giao diện não - máy tính (BCI) mới cho phép con người chơi trò chơi điện tử chỉ bằng cách sử dụng hoạt động não bộ của họ. Bằng cách sử dụng phương pháp fMRI (chụp cộng hưởng từ chức năng) theo thời gian thực, nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng người dùng có thể điều khiển máy tính một cách hiệu quả chỉ thông qua suy nghĩ.

Các phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience.

Nghiên cứu tiết lộ rằng hoạt động của não tuân theo các lộ trình thần kinh đã được thiết lập sẵn. Các nhà nghiên cứu nhận thấy việc học cách sử dụng BCI sẽ trở nên dễ dàng hơn nhiều khi hệ thống được thiết kế để hoạt động cùng với các lộ trình sẵn có đó, thay vì chống lại chúng. Khi một hệ thống BCI đồng điệu với tổ chức tự nhiên của não, người dùng sẽ nhanh chóng làm chủ được quyền điều khiển, và hoạt động não của họ sẽ tự điều chỉnh để hỗ trợ quá trình học hỏi. Các hệ thống không phù hợp với cấu trúc này mang lại rất ít hoặc không có sự cải thiện nào.

Tại sao các lộ trình não tự nhiên lại quan trọng đối với việc học BCI

"Hệ quả của nghiên cứu này là rất rộng lớn, từ việc giúp đỡ những người bị rối loạn vận động hoặc giao tiếp, phát triển các phương pháp điều trị trầm cảm hoặc lo âu, cho đến việc xây dựng thế hệ trò chơi và công nghệ tiêu dùng tiếp theo: các can thiệp được thiết kế dựa trên cấu trúc hình học tự nhiên của não có xu hướng nhanh hơn, hiệu quả hơn và dễ tiếp cận hơn," Erica Busch, tác giả chính của nghiên cứu, người vừa hoàn thành bằng Tiến sĩ tại Yale, cho biết.

Giao diện BCI cho phép con người tương tác với máy tính thông qua hoạt động của não bộ.

Mặc dù các nhà nghiên cứu đã làm việc trên các hệ thống này trong nhiều năm, nhiều hệ thống BCI ở người vẫn có thành công hạn chế. Các hệ thống dựa trên fMRI trước đây vốn phụ thuộc vào phản hồi thần kinh theo thời gian thực từ các bản quét theo dõi sự thay đổi mô hình hoạt động của não, thường yêu cầu tới 10 buổi huấn luyện kéo dài. Ngay cả khi đó, những cải thiện vẫn tương đối nhỏ. Khoảng một phần ba số người tham gia không bao giờ học được cách điều khiển hệ thống, bất kể họ đã luyện tập bao nhiêu.

Busch và các đồng nghiệp tin rằng vấn đề bắt nguồn từ cách các hệ thống này được thiết kế. Thông thường, các BCI yêu cầu não bộ phải học các mô hình không phù hợp với tổ chức tự nhiên của nó. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng các công cụ tiên tiến hơn có khả năng điều chỉnh phản hồi thần kinh phù hợp với cấu trúc nền tảng của từng bộ não có thể cải thiện đáng kể cả tốc độ học lẫn hiệu suất.

"Liệu chúng ta có thể xây dựng một hệ thống đủ thông minh để khám phá ra cấu trúc hình học đó trong thời gian thực, bằng cách sử dụng hình ảnh não bộ không xâm lấn hay không?" Smita Krishnaswamy, phó giáo sư di truyền học tại Trường Y Yale (YSM) kiêm phó giáo sư khoa học máy tính tại Trường Kỹ thuật & Khoa học Ứng dụng Yale (Yale Engineering), đồng thời là tác giả chịu trách nhiệm chính của nghiên cứu, đặt câu hỏi.

Xây dựng giao diện não - máy tính cá nhân hóa

Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã tuyển dụng những người trưởng thành trẻ tuổi khỏe mạnh cho bốn buổi quét fMRI. Trong buổi đầu tiên, các tình nguyện viên chơi một trò chơi điện tử bằng cần điều khiển (joystick) để điều hướng một nhân vật ảo qua một đấu trường ảo, trong khi hoạt động não của họ được ghi lại.

Nhóm nghiên cứu tập trung vào các vùng não liên quan đến việc điều hướng và chuyển động không gian. Sau đó, họ áp dụng một thuật toán được phát triển trong nghiên cứu trước đó có tên là T-PHATE. Phương pháp toán học này giúp xác định cấu trúc tự nhiên trong hoạt động não của một cá nhân, được gọi là "đa tạp thần kinh" (neural manifold).

Sử dụng đa tạp thần kinh của từng người tham gia, các nhà nghiên cứu đã tạo ra ba hệ thống điều khiển từ não sang trò chơi khác nhau:

Hệ thống đầu tiên: Tuân theo các mô hình hoạt động mạnh nhất và tự nhiên nhất của não, được gọi là "bản đồ trực quan" (intuitive mapping).

Hệ thống thứ hai: Dựa trên các mô hình hoạt động ít áp đảo hơn nhưng vẫn thuộc tự nhiên, được gọi là "nhiễu loạn trong đa tạp" (within-manifold perturbation).

Hệ thống thứ ba: Đòi hỏi các mô hình hoạt động mà não không tự sinh ra một cách tự nhiên, được gọi là "nhiễu loạn ngoài đa tạp" (outside-manifold perturbation).

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu xây dựng một hệ thống vòng lặp kín (closed-loop system) có nhiệm vụ phân tích một bản quét não mới sau mỗi hai giây và lập tức chuyển đổi thông tin đó thành các lệnh di chuyển cho nhân vật ảo. Trong ba buổi còn lại, những người tham gia cố gắng điều khiển nhân vật chỉ bằng suy nghĩ của họ, với mỗi buổi dành riêng cho một phương pháp thiết lập bản đồ nói trên.

Học nhanh hơn thông qua các đa tạp thần kinh

Kết quả cho thấy những người tham gia đã học được cách điều khiển nhân vật ảo trong chưa đầy một giờ khi hệ thống BCI tuân theo đa tạp tự nhiên của não, và trong một số trường hợp là nhanh hơn rất nhiều. Ngược lại, các tình nguyện viên không thể học được cách thiết lập bản đồ nằm ngoài các mô hình thần kinh tự nhiên đó trong cùng một khoảng thời gian.

Các tác động không chỉ dừng lại ở mặt hành vi. Khi người tham gia học hỏi, não bộ của họ đã tự tổ chức lại hoạt động để thích ứng tốt hơn với các yêu cầu của BCI. Trong một số điều kiện nhất định, mức độ tổ chức lại này đã dự đoán được hiệu suất. Những thay đổi này cũng lan rộng ra ngoài các vùng não mục tiêu ban đầu, cho thấy việc học BCI có thể ảnh hưởng đến các mạng lưới thần kinh rộng lớn hơn.

"Đa tạp vừa là một rào cản vừa là một cơ hội: nó quyết định những gì con người có thể học và tốc độ học là bao nhanh," Nick Turk-Browne, giám đốc Viện Wu Tsai kiêm Giáo sư Tâm lý học Susan Nolen-Hoeksema tại Khoa Nghệ thuật và Khoa học Yale (FAS), tác giả chịu trách nhiệm chính của nghiên cứu, cho biết.

Theo các nhà nghiên cứu, những phát hiện này có thể giúp giải thích tại sao một số kỹ năng lại dễ học hơn các kỹ năng khác. Sự thành công có thể không chỉ phụ thuộc vào nỗ lực hay khả năng, mà còn phụ thuộc vào mức độ tương thích của một nhiệm vụ với cấu trúc thần kinh sẵn có của não bộ.

Ý nghĩa đối với sức khỏe tâm thần và nâng cao năng lực con người

Các ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu vượt xa phạm vi của các thí nghiệm trong phòng lab. Trong lĩnh vực sức khỏe tâm thần, các phát hiện gợi ý rằng những hội chứng như trầm cảm và lo âu có thể được giải quyết hiệu quả hơn thông qua các phương pháp tiếp cận hoạt động bám sát các mô hình sẵn có của não, thay vì cố gắng tái định hình chúng một cách hoàn toàn cưỡng ép.

Nghiên cứu này cũng có thể dẫn đến các hệ thống BCI đáng tin cậy hơn cho những người bị suy giảm chức năng vận động hoặc ngôn ngữ. Mở rộng ra, nó mở ra khả năng nâng cao hiệu suất nhận thức bằng cách huấn luyện những cá nhân khỏe mạnh theo các phương pháp đồng điệu với tổ chức tự nhiên của não bộ.

"Chúng ta đang dành những nguồn lực khổng lồ để cố gắng trở thành những phiên bản tốt hơn của chính mình thông qua giáo dục, rèn luyện, trị liệu và nhiều hình thức khác," Busch nói. "Việc thấu hiểu cấu trúc tâm trí và não bộ của chính chúng ta có thể giúp chúng ta thực hiện điều đó một cách hiệu quả hơn rất nhiều."