Các đợt hoạt động điện, được gọi là “gợn sóng sắc nhọn”, xảy ra khi chúng ta thức và nghỉ ngơi. Một nghiên cứu mới cho thấy chúng đánh dấu các trải nghiệm để não lưu trữ dưới dạng ký ức dài hạn sau này khi chúng ta ngủ.
Myriam Wares cho tạp chí Quanta
Giới thiệu
György Buzsáki bắt đầu mày mò với sóng khi còn học trung học. Tại ngôi nhà thời thơ ấu của mình ở Hungary, ông đã chế tạo một máy thu thanh, điều chỉnh nó theo nhiều tần số điện từ khác nhau và sử dụng máy phát thanh để trò chuyện với những người lạ từ Quần đảo Faroe đến Jordan.
Ông nhớ một số cuộc trò chuyện này từ những ngày “radio ham” của mình tốt hơn những cuộc trò chuyện khác, cũng giống như bạn chỉ nhớ một số trải nghiệm trong quá khứ của mình. Bây giờ, với tư cách là giáo sư khoa học thần kinh tại Đại học New York, Buzsáki đã chuyển từ sóng vô tuyến sang sóng não để đặt câu hỏi: Bộ não quyết định những gì cần ghi nhớ như thế nào?
Bằng cách nghiên cứu các mô hình điện trong não, Buzsáki(mở một tab mới)tìm hiểu cách thức các trải nghiệm của chúng ta được thể hiện và lưu lại dưới dạng ký ức. Các nghiên cứu mới từ phòng thí nghiệm của ông và những phòng thí nghiệm khác đã gợi ý rằng não bộ gắn thẻ các trải nghiệm đáng nhớ bằng cách liên tục phát ra các sóng não tần số cao đột ngột và mạnh mẽ. Được gọi là “gợn sóng sắc nét”, những sóng này, được kích hoạt bởi sự bắn ra của hàng nghìn tế bào thần kinh trong vòng vài mili giây của nhau, “giống như một màn trình diễn pháo hoa trong não”, Wannan Yang, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Buzsáki, người đứng đầu công trình mới, được công bố trên tạp chí Science, cho biết(mở một tab mới)vào tháng 3. Chúng hoạt động khi não động vật có vú đang nghỉ ngơi, có thể là trong thời gian nghỉ giữa các nhiệm vụ hoặc trong khi ngủ.
Sóng gợn sóng sắc nhọn đã được biết là có liên quan đến việc củng cố hoặc lưu trữ ký ức. Nghiên cứu mới cho thấy chúng cũng liên quan đến việc lựa chọn ký ức — chỉ ra tầm quan trọng của những con sóng này trong suốt quá trình hình thành trí nhớ dài hạn.
Nó cũng cung cấp những lý do thần kinh tại sao nghỉ ngơi và ngủ lại quan trọng đối với việc lưu giữ thông tin. Não nghỉ ngơi và não thức dường như chạy các chương trình khác nhau: Nếu bạn ngủ mọi lúc, bạn sẽ không hình thành ký ức. Nếu bạn thức mọi lúc, bạn cũng sẽ không hình thành ký ức. “Nếu bạn chỉ chạy một thuật toán, bạn sẽ không bao giờ học được bất cứ điều gì”, Buzsáki nói. “Bạn phải có sự gián đoạn”.
Trong những lúc gián đoạn đó chính là lúc pháo hoa nổ.
Buổi diễn tập của não
Buzsáki sẽ không bao giờ quên lần đầu tiên ông nghe thấy tiếng sóng gợn sắc nhọn. Đó là năm 1981, và ông là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Western Ontario, lắng nghe hoạt động não của loài gặm nhấm bị gây mê qua loa phóng thanh. Sau khoảng chín năm nghiên cứu, ông đã quen với những dao động nhịp nhàng, du dương phát ra khi những con vật tỉnh táo khám phá môi trường của chúng. Ông đã không chuẩn bị cho tiếng “bong” đột ngột phát ra từ loa phóng thanh khi những con gặm nhấm đang ngủ.
Với Buzsáki, âm thanh đó sâu lắng như điệp khúc đầy kịch tính trong bản giao hưởng số 5 của Beethoven. “Da da da da,” ông hát khi nhớ lại cú sốc của mình. Và rồi một tiếng bong khác: “Da da da da.”
Khi còn nhỏ, György Buzsáki đã bắt sóng vô tuyến. Bây giờ, với tư cách là giáo sư khoa học thần kinh, ông bắt sóng não để nghiên cứu cách hoạt động điện từ tế bào thần kinh củng cố và lưu trữ trí nhớ dài hạn.
Yasemin Saplakoglu
Chuyện gì đang xảy ra? Não của loài gặm nhấm khi thức đã tạo ra hoạt động điện dao động với tốc độ không đổi. Tuy nhiên, khi chúng bị gây mê, não của chúng dường như bắn ra các mẫu nhanh hơn nhiều một cách bất thường.
Các nhà nghiên cứu khác cũng đã quan sát thấy những con sóng nhanh. Cố vấn sau tiến sĩ của Buzsáki là Cornelius Vanderwolf(mở một tab mới)đã mô tả các mô hình bất thường vào năm 1969, và nhà khoa học thần kinh đoạt giải Nobel John O’Keefe(mở một tab mới)đã đặt ra thuật ngữ “gợn sóng” để mô tả chúng vào những năm 1970. Nhưng phải đến khi Buzsáki tận mắt chứng kiến thì ông mới bị ám ảnh.
Ông đã dành phần lớn thời gian trong phòng thí nghiệm của mình trong thập kỷ tiếp theo để cố gắng mô tả các xung điện này. Vào cuối những năm 1980, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ có thể khiến các tế bào thần kinh tạo ra các kết nối mạnh hơn, liên quan đến việc học và trí nhớ, bằng cách kích thích nhân tạo chúng phát ra các xung điện nhanh. Đối với Buzsáki, những xung điện đó nghe rất giống với sóng của ông. Năm 1989, lần đầu tiên ông đưa ra giả thuyết rằng các gợn sóng sắc nhọn có thể là một phần trong cơ chế hình thành và củng cố trí nhớ của não.
“Ông ấy cho rằng đây không phải là một hoạt động ồn ào, nhưng nó có liên quan đến não bộ,” Michaël Zugaro cho biết.(mở một tab mới), một nhà khoa học thần kinh tại Collège de France, người đã làm việc như một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Buzsáki vào năm 2002. “Đó là một sự mong đợi lớn lao cho những khám phá trong tương lai bởi vì vào thời điểm đó, người ta thực sự biết rất ít về nó.”
Vào những năm 1990 và đầu những năm 2000, các nhà nghiên cứu đã tận dụng sức mạnh tính toán được cải thiện và các công cụ mới có thể ghi lại hoạt động điện từ hơn 100 tế bào thần kinh cùng một lúc để mô tả tốt hơn(mở một tab mới)gợn sóng sắc nhọn. Buzsáki và các nhà khoa học khác phát hiện ra rằng các gợn sóng dường như phát lại hoạt động của não từ trải nghiệm của động vật, chẳng hạn như chạy qua mê cung — ngoại trừ việc các gợn sóng phát lại dao động nhanh hơn từ 10 đến 20 lần so với các tín hiệu ban đầu. Một bài báo năm 2002, “làm cho gợn sóng sắc nhọn trở nên rất nổi tiếng”, Hiroaki Norimoto cho biết(mở một tab mới), một giáo sư khoa học thần kinh tại Đại học Nagoya ở Nhật Bản, đã phát hiện ra rằng những gợn sóng sắc nhọn kích hoạt lại một chuỗi(mở một tab mới)của hoạt động thần kinh.
Trong năm 2009 và 2010, hai bài báo, bao gồm một bài do Zugaro dẫn đầu(mở một tab mới), cho thấy rằng những gợn sóng sắc nhọn có liên quan đến việc củng cố trí nhớ(mở một tab mới)để chịu đựng trong thời gian dài. Khi các nhà nghiên cứu ngăn chặn hoặc phá vỡ các gợn sóng, chuột thực hiện kém hơn trong các nhiệm vụ ghi nhớ. “Khi bạn phá hủy chúng, thì con vật không còn nhớ nữa”, Zugaro nói. Các nghiên cứu sau đó cho thấy rằng việc kéo dài hoặc tạo ra nhiều gợn sóng hơn sẽ cải thiện trí nhớ của chuột .
Rõ ràng là những gợn sóng đang lặp đi lặp lại để củng cố một ký ức . “Bộ não đang tập dượt,” Lila Davachi nói(mở một tab mới), một giáo sư tâm lý học tại Đại học Columbia. “Ngay cả trong những khoảnh khắc nghỉ ngơi tỉnh táo này, não của bạn vẫn tiếp tục tập dượt và phát lại quá khứ.”
Hãy tưởng tượng một trải nghiệm như “một giai điệu trên đàn piano”, Daniel Bendor nói.(mở một tab mới), một nhà khoa học thần kinh tại University College London. Một chuỗi nơ-ron cụ thể sẽ kích hoạt để ghi lại một trải nghiệm, giống như một nghệ sĩ piano gõ một chuỗi phím cụ thể. Sau đó, trong khi ngủ, hồi hải mã sẽ phát lại chuỗi đó — nhưng nhanh hơn và có khả năng là hàng trăm hoặc hàng nghìn lần. Những gợn sóng sắc nhọn điên cuồng lan truyền từ hồi hải mã, một trạm trung chuyển trong não cho “ký ức theo từng giai đoạn” về những trải nghiệm cụ thể, hướng đến vỏ não, nơi tham gia vào quá trình lưu trữ trí nhớ dài hạn.
Tuy nhiên, không ai có thể giải thích tại sao các gợn sóng lan truyền trong khi một con vật đang thức và nghỉ ngơi. “[Chúng] phải phục vụ một mục đích nào đó khác,” Bendor nhớ lại suy nghĩ. Các nhà khoa học đã có nhiều ý tưởng. Một số đề xuất rằng các gợn sóng khi thức giúp ích cho việc lập kế hoạch hoặc ra quyết định. Những người khác cho rằng chúng đã sửa đổi hoặc phân bổ lại ký ức theo một cách nào đó.
Một ý tưởng khác mà nhiều nhóm đã đề xuất là việc phát lại khi động vật thức và phát lại trong khi ngủ có mối liên hệ chặt chẽ với nhau — và chúng có thể là cơ chế mà não bộ lựa chọn những trải nghiệm để ghi nhớ.
Thử nghiệm trí nhớ
Tại NYU, những hộp chuột đang nghỉ ngơi và ngủ được đặt trong một căn phòng có đèn hồng ngoại. Trong căn phòng bên cạnh là những mê cung thủ công, được làm từ nhựa và băng dính. Từng con một, những con chuột được đặt vào mê cung. Chúng chạy xung quanh, đeo điện cực ghi lại hoạt động của khoảng 500 tế bào thần kinh vùng đồi hải mã và biết rằng một số tuyến đường nhất định sẽ giúp chúng được thưởng nước. Khi khám phá mê cung, những con chuột nghỉ ngơi một chút để nghỉ ngơi hoặc chải chuốt. Và sau khi thử nghiệm của chúng kết thúc, chúng được đưa trở lại lồng của chúng để ngủ. Các nhà nghiên cứu tiếp tục ghi lại hoạt động não của chúng khi chúng ngủ.
Yang đã phân tích dữ liệu bằng cách lập bản đồ các tế bào thần kinh nào đã kích hoạt trong các thử nghiệm khác nhau. Cô ấy đã thấy rất nhiều biến thể — một số tế bào thần kinh đã kích hoạt trong các thử nghiệm ban đầu, và những tế bào khác đã kích hoạt trong các thử nghiệm sau đó. Đôi khi chúng kích hoạt ở các tốc độ khác nhau. Điều đó cho cô ấy biết rằng bộ não ghi lại trải nghiệm của động vật về các thử nghiệm riêng lẻ theo cách khác nhau. Đáng chú ý, một số thử nghiệm được theo sau bởi các đợt sóng gợn sắc nét, trong khi những thử nghiệm khác thì không.
Wannan Yang đã phân tích các đợt hoạt động não được gọi là gợn sóng sắc nhọn phát ra khi chuột nghỉ ngơi và khi chúng ngủ. Khi các con vật nghỉ ngơi, các gợn sóng phát lại các chuỗi nơ-ron đã xảy ra trong mê cung. Sau đó, trong khi ngủ, các chuỗi đó được phát lại một lần nữa để hình thành trí nhớ dài hạn.
Trần Tôn
Sau đó, cô so sánh hoạt động não được ghi lại trong quá trình trải nghiệm mê cung của chuột với các gợn sóng liên quan xuất hiện sau đó. Các thử nghiệm được phát lại thường xuyên hơn khi chuột nghỉ ngơi là các thử nghiệm giống nhau được phát lại khi chúng ngủ. Và các thử nghiệm không được phát lại khi chuột thức cũng không được phát lại trong khi ngủ.
Nhóm nghiên cứu kết luận rằng những gợn sóng nghỉ ngơi có thể là một cơ chế mà não ưu tiên các trải nghiệm để ghi nhớ. Yang cho biết “Có lẽ những gợn sóng khi tỉnh táo là những thẻ nhớ” giúp củng cố một số trải nghiệm nhất định để lưu trữ lâu dài. “Ngược lại, những trải nghiệm không được gắn thẻ sẽ không được phát lại trong khi ngủ và chúng sẽ bị lãng quên”.
Zugaro cho biết: “Phải có một số loại phân loại để nhớ những gì có liên quan và quên phần còn lại”. “Chúng ta vẫn chưa hiểu được cách những ký ức cụ thể được lựa chọn để lưu trữ. … Bây giờ chúng ta đã có manh mối tốt”.
Tháng 12 năm ngoái, một nhóm nghiên cứu do Bendor dẫn đầu tại University College London đã công bố các kết quả liên quan trên tạp chí Nature Communications , dự đoán kết quả của Yang và Buzsáki. Họ cũng phát hiện ra rằng các gợn sóng sắc nhọn phát ra khi chuột thức và ngủ(mở một tab mới)dường như gắn thẻ các trải nghiệm cho trí nhớ. Tuy nhiên, phân tích của họ đã trung bình hóa một số thử nghiệm khác nhau cùng nhau — một cách tiếp cận kém chính xác hơn những gì Yang và Buzsáki đã thực hiện.
Đổi mới chính của nhóm NYU là đưa yếu tố thời gian, yếu tố phân biệt những ký ức tương tự với nhau, vào quá trình phân tích của họ. Những con chuột chạy quanh theo cùng một kiểu mê cung, nhưng các nhà nghiên cứu này có thể phân biệt giữa các khối thử nghiệm ở cấp độ nơ-ron — một giải pháp chưa từng đạt được trước đây.
Các mô hình não đang đánh dấu “một cái gì đó gần hơn một chút với một sự kiện và ít giống với kiến thức chung hơn một chút”, Loren Frank nói.(mở một tab mới), một nhà khoa học thần kinh tại Đại học California, San Francisco, người không tham gia vào nghiên cứu. “Tôi thấy đó là một phát hiện thực sự thú vị.”
Freyja Ólafsdóttir cho biết: “Họ đang chỉ ra rằng não có thể đang tạo ra một số loại mã thời gian để phân biệt giữa các ký ức khác nhau xảy ra ở cùng một nơi”.(mở một tab mới), một nhà khoa học thần kinh tại Đại học Radboud, người không tham gia vào công trình này.
Shantanu Jadhav(mở một tab mới), một nhà khoa học thần kinh tại Đại học Brandeis, đã ca ngợi nghiên cứu này. “Đây là một khởi đầu tốt”, ông nói. Tuy nhiên, ông hy vọng sẽ thấy một thí nghiệm tiếp theo bao gồm một bài kiểm tra hành vi. Việc chứng minh rằng một con vật quên hoặc nhớ các khối thử nghiệm cụ thể sẽ là “bằng chứng thực sự cho thấy đây là một cơ chế gắn thẻ”.
Nghiên cứu này để lại một câu hỏi nóng hổi chưa có lời giải đáp: Tại sao một trải nghiệm được chọn thay vì trải nghiệm khác? Nghiên cứu mới cho thấy não bộ gắn thẻ một trải nghiệm nhất định để ghi nhớ như thế nào. Nhưng nó không thể cho chúng ta biết não bộ quyết định điều gì đáng ghi nhớ như thế nào.
Đôi khi những thứ chúng ta nhớ có vẻ ngẫu nhiên hoặc không liên quan, và chắc chắn khác với những gì chúng ta sẽ chọn nếu được lựa chọn. Frank cho biết “Có một cảm giác rằng não bộ ưu tiên dựa trên ‘tầm quan trọng'”. Bởi vì các nghiên cứu đã chỉ ra rằng những trải nghiệm mới lạ hoặc cảm xúc có xu hướng được ghi nhớ tốt hơn, nên có thể những biến động bên trong về sự kích thích hoặc mức độ của các chất điều biến thần kinh như dopamine hoặc adrenaline và các chất hóa học khác ảnh hưởng đến tế bào thần kinh cuối cùng sẽ lựa chọn các trải nghiệm, ông gợi ý.
Jadhav đồng tình với suy nghĩ đó, nói rằng, “Trạng thái bên trong của cơ thể có thể khiến các trải nghiệm thiên vị để được mã hóa và lưu trữ hiệu quả hơn.” Nhưng ông nói thêm rằng không biết điều gì khiến một trải nghiệm dễ được lưu trữ hơn những trải nghiệm khác. Và trong trường hợp nghiên cứu của Yang và Buzsáki, không rõ tại sao một con chuột lại nhớ một thử nghiệm tốt hơn một thử nghiệm khác.
Buzsáki vẫn cam kết khám phá vai trò của các gợn sóng sắc nhọn trong hồi hải mã, mặc dù ông và nhóm của ông cũng quan tâm đến các ứng dụng tiềm năng có thể phát sinh từ những quan sát này. Ví dụ, có thể các nhà khoa học có thể phá vỡ các gợn sóng như một phần của phương pháp điều trị các tình trạng như rối loạn căng thẳng sau chấn thương, trong đó mọi người nhớ lại một số trải nghiệm quá sống động, ông nói. “Trái cây chín mọng ở đây là xóa bỏ các sóng sắc nhọn và quên đi những gì bạn đã trải qua.”
Nhưng hiện tại, Buzsáki sẽ tiếp tục nghiên cứu những sóng não mạnh mẽ này để khám phá thêm về lý do tại sao chúng ta nhớ những việc mình làm.
