Động vật suy nghĩ như thế nào? (Phần 1)

Hai năm trước, khi Jennifer Li và Drew Robson đang rà soát hàng chục terabyte dữ liệu từ một thí nghiệm về não cá ngựa vằn thì họ bắt gặp một số tế bào dường như có khả năng "ngoại cảm".

Trong thí nghiệm đó, hai nhà khoa học lập bản đồ hoạt động não của ấu trùng cá ngựa vằn khi chúng tìm kiếm thức ăn, để xem biểu đồ thần kinh thay đổi như thế nào. Đây là thử nghiệm lớn đầu tiên của họ trên một nền tảng công nghệ mà họ đã xây dựng tại Đại học Harvard, TP Cambridge, Massachusetts. Nền tảng này cho phép họ quan sát mọi tế bào trong não của ấu trùng trong khi những sinh vật có kích thước bằng một chiếc lông mi bơi tung tăng trong một đĩa nước có đường kính 35mm và ăn thịt con mồi siêu nhỏ của chúng.

Từ núi dữ liệu trong thử nghiệm, xuất hiện một ít tế bào thần kinh dự đoán thời điểm ấu trùng sẽ bắt và nuốt chửng con mồi. Những tế bào thần kinh này thậm chí còn được kích hoạt nhiều giây trước khi ấu trùng để mắt đến con mồi. Xem xét chi tiết hơn dữ liệu, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các tế bào 'ngoại cảm' hoạt động trong một thời gian dài bất thường - không phải vài giây, như hầu hết các tế bào thần kinh điển hình, mà là nhiều phút. Trên thực tế, là tương đương với thời gian ấu trùng săn mồi. "Thật là kỳ quái, vô lý," Li nói.

Li và Robson lật lại tài liệu và nhận ra, các tế bào này hẳn đang thiết lập một "trạng thái não bộ" tổng thể - một kiểu hoạt động não kéo dài, chuẩn bị cho cuộc săn mồi của ấu trùng. Li và Robson cũng biết rằng, trong vài năm qua, các nhà khoa học khác đã phát hiện ra các trạng thái bên trong não bộ có thể thay đổi hành vi của một con vật, ngay cả khi môi trường bên ngoài không có gì thay đổi.

Trước đây các nhà khoa học thần kinh thường nghiên cứu cách các mạng lưới tế bào phản ứng với thông tin cảm giác và tạo ra hành vi. Nhưng họ chưa thể xem xét chi tiết những gì xảy ra ở giữa hai đầu quy trình đó. Chỉ một vài năm trước, việc đo lường hoạt động các mạng thần kinh cụ thể vẫn là bất khả thi.

Nhưng sự xuất hiện của một loạt các kỹ thuật mới đã cho phép các nhà khoa học theo dõi hoạt động não một cách chi tiết chưa từng có.

Bộ não của bất kỳ loài động vật nào liên tục bị kích thích bởi những thông tin về môi trường truyền đến từ các cơ quan cảm giác như mắt, tai, mũi hoặc da. Tất cả thông tin này ban đầu được xử lý trong vỏ não cảm giác. Sau đó, đến các bước xử lý bí ẩn hơn, trong đó thông tin được lọc qua nhiều trạng thái bên trong não, tương ứng với các tâm trạng và nhu cầu thay đổi liên tục của sinh vật. Cuối cùng dẫn đến bước vỏ não vận động tạo ra các hành vi phù hợp với hoàn cảnh - chẳng hạn như đuổi ruồi, hay chạy đến chỗ có thức ăn ngon. Các trạng thái bên trong cũng có thể được tạo ra hoàn toàn trong não, mà không có đầu vào cảm giác và không có đầu ra hành vi: giống như việc suy nghĩ mơ mộng hoặc nhớ lại các sự kiện trong quá khứ.

Trong vài năm qua, những hiểu biết về các trạng thái bên trong não đang thay đổi cách các nhà khoa học thần kinh nghĩ về hành vi của động vật. Nhà khoa học thần kinh Anne Churchland tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, New York, cho biết: “Chúng tôi từng nghĩ động vật là một loại máy phản ứng với các kích thích. Bây giờ chúng tôi bắt đầu nhận ra rằng nhiều điều thú vị đang được tạo ra trong não của chúng làm thay đổi cách bộ não xử lý đầu vào cảm giác - và do đó thay đổi đầu ra hành vi của động vật”.

Sáu năm trước, nhà sinh học thần kinh David Anderson tại Viện Công nghệ California (Caltech) quyết định tạo ra một khung lý thuyết để nghiên cứu các trạng thái bên trong não tương ứng với cảm xúc.

Nhóm Anderson cho rằng, trạng thái não bộ sẽ tồn tại lâu hơn kích thích ban đầu gây ra nó. Vì vậy, đặc điểm chính của một mạch thần kinh làm cơ sở cho trạng thái như vậy là tính bền bỉ - hoạt động liên tục trong thời gian dài. “Nếu bạn đang đi bộ trên núi và nhìn thấy một con rắn, bạn có thể sẽ nhảy lên vì sợ hãi," Anderson nói. “Mười phút sau, trạng thái sợ hãi bên trong bộ não của bạn vẫn tiếp diễn, vì vậy khi bạn nhìn thấy một cây gậy trên đường, có thể bạn lại nhảy lên”.

Anderson và đồng nghiệp đã xuất bản bài báo vào năm 2014, ngay khi một loạt các công nghệ thần kinh phát triển và các thí nghiệm cần thiết cho chủ đề này trở nên khả thi.

Một công nghệ hàng đầu là đầu dò Neuropixels, chỉ dài 10mm, có thể trực tiếp ghi lại hoạt động của hàng trăm tế bào thần kinh trên các vùng não khác nhau. Và các kỹ thuật hình ảnh đặc biệt có thể chỉ ra nơi có hàng chục nghìn tế bào thần kinh riêng lẻ đang hoạt động trên toàn bộ não. Các máy theo dõi hành vi tự động có thể ghi lại video các động vật tự do hoạt động trong nhiều giờ và phân tích mọi chuyển động theo từng mili giây để đối chiếu với các bản ghi thần kinh, khớp hoạt động của não trong từng thời điểm với các chuyển động cụ thể. Các nhà khoa học thần kinh cũng đã tận dụng sự phát triển vượt bậc của máy học, trí tuệ nhân tạo và các công cụ toán học mới để hiểu được hàng gigabyte hoặc terabyte dữ liệu mà bất kỳ thí nghiệm nào với những công nghệ này có thể tạo ra, lần tìm trong đó các kiểu kích hoạt thần kinh có thể tương ứng với trạng thái bên trong não bộ.

Trong nghiên cứu đầu tiên của mình về trạng thái bên trong, Anderson tìm hiểu sự hung hăng của ruồi giấm, loài có bộ não nhỏ chứa khoảng 100.000 tế bào thần kinh. Ở nhiều loài động vật, các con đực bắt đầu chiến đấu với nhau khi có mặt con cái. Ruồi giấm cũng không ngoại lệ: các bằng chứng gián tiếp cho thấy việc tiếp xúc với con cái khiến con đực phát ra những âm thanh gọi bạn tình và có hành vi hung hăng đối với những con đực khác trong nhiều phút.

Anderson quyết định tìm kiếm các hoạt động thần kinh tương ứng với hành vi tán tỉnh và đánh nhau được khởi xướng bởi các tế bào thần kinh được gọi là P1. Đây là loại tế bào thần kinh được tìm thấy trong một khu vực kiểm soát các hành vi xã hội. Hoạt động của P1 diễn ra quá nhanh nên một mình chúng không thể chịu trách nhiệm cho việc duy trì trạng thái bên trong. Sử dụng kỹ thuật hình ảnh cùng với kỹ thuật phân tích hành vi tự động, nhóm của ông đã xác định được các tế bào ở các vùng não khác hoạt động do kết quả của việc kích hoạt P1.

Hầu hết các 'tế bào theo sau' này đều bật và tắt nhanh chóng, nhưng một cụm gọi là tế bào thần kinh pCd vẫn hoạt động liên tục trong nhiều phút. Khi các nhà nghiên cứu ngừng hoạt động của các tế bào này, tác động dai dẳng của việc kích hoạt P1 lên hành vi đã biến mất. Và khi họ kích hoạt chúng trực tiếp, bỏ qua P1, thì không có gì xảy ra: các tế bào thần kinh pCd cần P1 làm bộ kích hoạt và một khi đã bắt đầu hoạt động, chúng sẽ hoạt động lâu hơn nhiều so với kích thích ban đầu. Nếu phải đặt tên cho trạng thái này ở ruồi giấm, nó sẽ là trạng thái 'sẵn sàng tham gia vào những hành vi xã hội', Anderson nói.

Nhóm của Anderson cũng tiến hành thí nghiệm tương tự trên chuột, loài có bộ não phức tạp hơn chứa khoảng 100 triệu tế bào thần kinh. Kết quả, họ phát hiện một nhóm tế bào thần kinh đặc biệt ở vùng dưới đồi, giống như tế bào thần kinh pCd, được kích hoạt liên tục và liên quan đến trạng thái não bộ tương ứng với sự sợ hãi. Khi các nhà nghiên cứu làm cho những con chuột thí nghiệm sợ hãi chỉ trong vài giây, chúng phản ứng phòng thủ bằng cách ôm chặt bức tường trong vài phút và nhóm tế bào thần kinh nói trên hoạt động trong suốt thời gian này. Sau đó, hễ các nhà khoa học đưa nhóm tế bào này vào trạng thái hoạt động thì con chuột sẽ ôm tường, ngay cả khi không có yếu tố gây sợ hãi.