Động vật suy nghĩ như thế nào? (Phần 2)

Trong khi nhiều nhà nghiên cứu tìm kiếm các tế bào thần kinh có hoạt động bền bỉ trong thời gian dài ở các vùng não cụ thể, Li và Robson - hai nhà nghiên cứu chuyển đến Đức hồi tháng 9 năm ngoái để cùng điều hành một phòng thí nghiệm ở Viện Max Planck về Điều khiển học Sinh học ở Tübingen - gần như tình cờ bắt gặp các tế bào thần kinh này.

Ấu trùng cá ngựa vằn của họ ít phức tạp hơn ruồi giấm, chỉ có khoảng 80.000 tế bào não. Vì những chú cá con này trong suốt nên có thể theo dõi đồng thời hoạt động của gần như tất cả các tế bào thần kinh của chúng. Li và Robson đã phát triển một phương pháp theo dõi đồng thời cả chuyển động và hoạt động thần kinh khi ấu trùng cá bơi tự do xung quanh đĩa thí nghiệm.

Ấu trùng cá có vẻ không có đời sống nội tại phong phú như chuột, hoặc thậm chí là ruồi giấm, nhưng chúng có ít nhất một lựa chọn hành vi phải thực hiện trong đời - đó là săn mồi tại chỗ hay bơi đến những vùng nước xa lạ để tìm kiếm thức ăn mới.

Khi Li và Robson quan sát ấu trùng thực hiện lựa chọn này, họ phát hiện ba nhóm tế bào thần kinh: (i) nhóm hoạt động tích cực trong quá trình săn mồi tại chỗ, (ii) nhóm hoạt động tích cực trong quá trình thăm dò vùng xa lạ, và (iii) nhóm hoạt động chóng vánh khi cá chuyển đổi giữa hai trạng thái (i) và (ii). Điều đáng ngạc nhiên là cảm giác đói dường như không ảnh hưởng đến hoạt động của ba nhóm tế bào này, chúng tự động chuyển đổi vài phút một lần - “giống như trạng thái ngủ - thức của chúng ta tự động chuyển đổi, nhưng trong khoảng thời gian ngắn hơn nhiều”, Robson nói.

Các nhà khoa học thần kinh làm việc với các sinh vật phức tạp hơn không thể theo dõi toàn bộ não cùng một lúc, nhưng họ có thể tìm ra các gợi ý về trạng thái bên trong bằng các mạng lưới phân bố rộng khắp não. Trong các thí nghiệm đầy thử thách về mặt kỹ thuật trên chuột, họ đã ghi lại hoạt động của hàng nghìn tế bào thần kinh trong não.

Trong một nghiên cứu được công bố vào năm ngoái, nhà thần kinh học Karl Deisseroth tại Đại học Stanford, California và các cộng sự đã sử dụng đầu dò Neuropixels để ghi lại hoạt động của 24.000 tế bào thần kinh trên 34 vùng vỏ não và dưới vỏ não ở những con chuột khát nước đang liếm nước từ vòi. Và họ phát hiện ra những tế bào thần kinh truyền tín hiệu về trạng thái khát đã được kích hoạt khắp não chứ không chỉ ở vùng dưới đồi, nơi tập trung các tế bào thần kinh khát nước.

Bằng cách sử dụng các kỹ thuật ghi mở rộng này, các nhà khoa học thần kinh phát hiện, có rất nhiều điều đang diễn ra trong não khi một con vật thực hiện một hành vi mà thoạt nhìn thì không phải tất cả hoạt động thần kinh đều có liên quan.

Trong các bài báo mang tính bước ngoặt vào năm ngoái, nhóm nghiên cứu của Kenneth Harris tại Đại học College London và nhóm nghiên cứu của Anne Churchland tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor, New York (xem thêm ở phần 1) đã chỉ ra rằng khi một con chuột thực hiện một hành vi nào đó (như nhai thức ăn), các tế bào thần kinh sẽ kích hoạt khắp não bộ, nhưng phần lớn các tế bào thần kinh được kích hoạt không tương ứng trực tiếp với hành vi đó. Có một số tế bào thần kinh được kích hoạt tương ứng với các cử động bồn chồn của động vật, nhưng vẫn còn khoảng 2/3 số được kích hoạt không tương ứng với bất kỳ chuyển động hoặc hành động nào và có thể chúng "liên quan đến trạng thái não bộ bên trong", theo Harris.

Nhiều nhà khoa học thần kinh nói rằng, khối lượng dữ liệu đổ ra từ các thí nghiệm trên toàn bộ não cũng chính là điểm nghẽn lớn nhất của lĩnh vực này. Nhưng họ đã và đang đạt được nhiều tiến bộ trong việc phát triển các kỹ thuật để sàng lọc qua hàng loạt phép đo.

Bất kể độ phức tạp của các mô hình mà giới nghiên cứu đã áp dụng trên giun, cá, ruồi hay chuột - câu hỏi chung là cách toàn bộ não điều phối các trạng thái bên trong, Steve Flavell ở Viện Công nghệ ở Cambridge cho biết.

Năm 2013, Flavell và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện, ngay cả não của loài giun Caenorhabditis elegans, chỉ có 302 tế bào thần kinh, cũng xuất hiện các trạng thái não bộ điều khiển các hành vi cụ thể, bao gồm hai nhóm tế bào thần kinh hoạt động liên tục kiểm soát việc con vật đi loanh quanh tại chỗ hay di chuyển đến mục tiêu. Sau đó, nhóm của ông đã xác định được toàn bộ mạch thần kinh liên quan đến hai trạng thái và sự chuyển đổi giữa chúng.