Não bộ “xoay chiều” ký ức để bảo vệ nó khỏi thông tin cảm giác mới

Nghiên cứu trên chuột cho thấy rằng các biểu diễn thần kinh của thông tin cảm giác được xoay 90 độ để biến chúng thành ký ức. Trong sự sắp xếp này, ký ức và cảm giác không giao thoa với nhau. Ảnh:Samuel Velasco/Quanta Magazine.

Cả con người và các loài động vật khác đều luôn phải cân bằng giữa nhận thức về quá khứ và hiện tại trong mọi lúc. Chúng ta phải tiếp nhận thông tin cảm giác mới về thế giới xung quanh, trong khi vẫn lưu giữ những ký ức ngắn hạn về những quan sát hay sự kiện trước đó. Khả năng lý giải môi trường xung quanh, cũng như khả năng học tập, hành động và suy tư của chúng ta đều phụ thuộc vào những tương tác liên tục và khéo léo giữa tri giác và ký ức.

Nhưng muốn thực hiện được điều này, bộ não phải tách riêng hai quá trình trên; nếu không, các luồng dữ liệu mới có thể can thiệp vào quá trình biểu diễn các kích thích trước đó và ghi đè lên hoặc khiến ta hiểu sai thông tin theo ngữ cảnh quan trọng. Thách thức trên chưa phải là tất cả: một số công trình nghiên cứu gợi ý rằng não bộ không phân chia chức năng ghi nhớ ngắn hạn thành các vùng phụ trách nhận thức cao cấp thuần túy như vỏ não trước trán. Thay vào đó, các vùng phụ trách cảm giác và các trung tâm vỏ não dưới có nhiệm vụ phát hiện và biểu diễn trải nghiệm cũng có thể mã hóa và lưu trữ ký ức về trải nghiệm đó. Tuy vậy, những ký ức này không được phép xâm phạm nhận thức của chúng ta về hiện tại, hay bị những trải nghiệm mới ghi đè lên một cách ngẫu nhiên.

Một bài báo đăng trên tờ Nature Neuroscience gần đây cuối cùng cũng có thể lý giải cơ chế hoạt động của bộ đệm bảo vệ của não bộ. Bộ đôi nghiên cứu chỉ ra rằng, để biểu diễn đồng thời các kích thích hiện tại và trước đó mà vẫn ngăn không cho chúng can thiệp lẫn nhau, về cơ bản, bộ não sẽ “xoay chiều” thông tin cảm giác để mã hóa nó vào bộ nhớ. Hai trục biểu diễn vuông góc này sau đó có thể trích xuất dữ liệu từ các hoạt động thần kinh chồng chéo mà không xâm phạm lẫn nhau. Các chi tiết cụ thể về cơ chế này có lẽ sẽ giúp giải quyết một số tranh cãi muôn thuở về xử lý ký ức.

Để tìm ra cách não bộ ngăn thông tin mới và ký ức ngắn hạn xóa mờ lẫn nhau, Timothy Buschman, một nhà thần kinh học tại Đại học Princeton, và Alexandra Libby, sinh viên cao học làm việc tại phòng thí nghiệm của ông, quyết định tập trung vào sự tri nhận thính giác ở chuột. Họ cho chuột nghe đi nghe lại một cách thụ động các chuỗi bốn hợp âm, thứ âm thanh mà Buschman gọi là “buổi hòa nhạc tệ hại nhất từ trước đến nay.”

Những chuỗi này cho phép các con chuột thiết lập mối liên hệ giữa các hợp âm nhất định, khiến chúng có thể dự đoán được các âm thanh kế tiếp khi mới nghe được hợp âm đầu tiên. Cùng lúc đó, nhóm nghiên cứu đào tạo các thuật toán phân loại máy học để phân tích hoạt động thần kinh được ghi lại từ vỏ não thính giác của chuột trong thí nghiệm, nhằm xác định cách các tập hợp tế bào thần kinh biểu diễn từng kích thích trong chuỗi.

Buschman và Libby quan sát sự thay đổi của các mẫu hình trên trong quá trình các con chuột hình thành liên kết. Họ phát hiện các biểu diễn thần kinh của các hợp âm liên quan đến nhau bắt đầu trở nên giống nhau theo thời gian. Nhưng họ cũng quan sát được rằng các thông tin cảm giác đầu vào mới và không báo trước, chẳng hạn như các chuỗi hợp âm lạ tai, có thể gây trở ngại đến quá trình biểu diễn âm thanh mà chuột đang nghe - bằng cách ghi đè lên biểu diễn về thông tin đầu vào trước đó. Các tế bào thần kinh thay đổi bản mã của kích thích thần kinh trong quá khứ để tương thích với liên tưởng của loài vật ở hiện tại - kể cả khi điều đó không chính xác.

Nhóm nghiên cứu muốn xác định xem não bộ phải điều chỉnh theo sự can thiệp này như thế nào để lưu giữ những ký ức chính xác. Vì vậy, họ đào tạo một thuật toán phân loại khác để nhận dạng và phân biệt các mẫu hình thần kinh đại diện cho ký ức về các hợp âm trong chuỗi - ví dụ, cách mà tế bào thần kinh được kích hoạt khi một hợp âm bất ngờ gợi lên sự so sánh với một chuỗi âm thanh quen thuộc. Đúng là thuật toán phân loại đã tìm thấy các mẫu hình hoạt động nguyên vẹn của ký ức về các hợp âm mà chuột đã được nghe trong thực tế - chứ không phải là bản ký ức “sửa lại” ghi đè lên bản mã trước đó để duy trì các liên kết cũ hơn. Tuy vậy, những bản mã ký ức này trông rất khác so với các biểu diễn cảm giác.

Các biểu diễn ký ức được sắp xếp theo cái mà các nhà thần kinh học gọi là chiều “vuông góc” với các biểu diễn cảm giác, tất cả đều nằm trong cùng một quần thể tế bào thần kinh. Buschman ví nó như việc đang hí hoáy ghi chép bằng tay thì hết giấy. Trong tình huống này, “bạn sẽ xoay tờ giấy 90 độ và bắt đầu viết tràn ra lề,” ông nói. “Về cơ bản đó là những gì bộ não đang làm. Nó tiếp nhận thông tin cảm giác đầu vào đầu tiên và viết ra một tờ giấy, xong xuôi nó xoay tờ giấy 90 độ để có thể viết thêm một thông tin mới mà không động đến hoặc ghi đè lên phần ghi chép cũ.”

Nói cách khác, dữ liệu cảm giác được chuyển thành ký ức thông qua sự biến đổi của các mẫu hình kích hoạt tế bào thần kinh. Anastasia Kiyonaga, một nhà thần kinh học nhận thức tại Đại học California phân hiệu San Diego không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Thông tin thay đổi bởi nó cần được bảo vệ.”

Đây không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học quan sát được hiện tượng não bộ sử dụng mã hóa theo chiều vuông góc để phân tách và bảo vệ thông tin. Chẳng hạn, khi loài khỉ chuẩn bị di chuyển, hoạt động thần kinh trong vỏ não vận động của chúng sẽ biểu diễn chuyển động tiềm năng này theo chiều vuông góc để tránh can thiệp vào tín hiệu truyền lệnh đến các cơ.

Tuy thế, các nghiên cứu xưa nay thường không chỉ rõ cơ chế biến đổi của hoạt động thần kinh theo hướng này. Buschman và Libby muốn trả lời câu hỏi đó bằng những gì họ quan sát thấy trong vỏ não thính giác ở chuột. Libby nói, “Khi mới bắt tay vào làm thí nghiệm, thật khó để tôi hình dung làm thế nào mà một biến chuyển như thế lại xảy ra với hoạt động thần kinh.” Bà muốn “giải mã bí ẩn về những gì mạng lưới thần kinh đang thực hiện để mã hóa dữ liệu theo chiều vuông góc.”

Bằng cách sàng lọc thực nghiệm qua mọi khả năng, nhóm nghiên cứu loại trừ khả năng các tập hợp con của tế bào thần kinh trong vỏ não thính giác xử lý độc lập các biểu diễn cảm giác và ký ức. Ngược lại, họ chỉ ra rằng hai nhóm biểu diễn này được xử lý bởi cùng một quần thể tế bào thần kinh, và hoạt động của tế bào thần kinh có thể được chia thành hai loại. Một số tế bào thần kinh có hành vi “ổn định” khi biểu diễn cả dữ liệu cảm giác và ký ức, trong khi các tế bào thần kinh “thất thường” thì phản ứng với hai nhóm dữ liệu theo các kiểu khác nhau.

Ngạc nhiên thay, sự kết hợp giữa các tế bào thần kinh ổn định và thất thường này đã đủ để xoay chiều thông tin cảm giác và biến nó thành ký ức. Buschman nói, “Đó là toàn bộ phép màu.”

Trên thực tế, ông và Libby sử dụng các phương pháp tiếp cận mô hình tính toán để cho thấy cơ chế này là cách hiệu quả nhất để xây dựng các biểu diễn cảm giác và ký ức vuông góc: Nó tốn ít tế bào thần kinh và ít năng lượng hơn so với các giả thiết khác.

Khám phá của Buschman và Libby góp phần tạo nên một xu hướng mới nổi trong khoa học thần kinh: các quần thể tế bào thần kinh, kể cả ở các vùng phụ trách cảm giác bên dưới, đều tham gia vào quá trình mã hóa động với vai trò quan trọng hơn những gì ta tưởng. Theo Miguel Maravall, một nhà thần kinh học tại Đại học Sussex không tham gia nghiên cứu, “Những vùng vỏ não nằm ở bậc thấp hơn trong chuỗi thức ăn này cũng ẩn chứa nhiều tiềm năng thú vị mà có lẽ chúng ta chưa thật sự để ý tới, cho đến bây giờ.”

Công trình này có thể giúp hòa giải hai phía của cuộc tranh luận chưa đến hồi kết: rằng ký ức ngắn hạn rốt cuộc được duy trì thông qua các biểu diễn liên tục, bền bỉ hay qua các bản mã thần kinh động thay đổi theo thời gian. Thay vì nghiêng hẳn về một bên, Buschman cho biết “những phát hiện của chúng tôi cho thấy về cơ bản cả hai bên đều đúng,” với các tế bào thần kinh ổn định hoàn thành nhiệm vụ thứ nhất và các tế bào thần kinh thất thường hoàn thành nhiệm vụ thứ hai. Sự kết hợp hai quá trình này rất hữu ích bởi “nó thực sự giúp cản lại sự can thiệp và thực hiện việc xoay chiều vuông góc.”

Nghiên cứu của Buschman và Libby có thể còn được ứng dụng trong các bối cảnh xa hơn sự biểu diễn cảm giác. Họ và các nhà nghiên cứu khác hy vọng tìm được cơ chế xoay chiều vuông góc này ở các quá trình thần kinh khác: trong cách bộ não theo dõi nhiều suy nghĩ hoặc mục tiêu cùng một lúc; thực hiện một hành động trong khi đối phó với sự xao nhãng; biểu diễn các trạng thái bên trong cơ thể; hay kiểm soát nhận thức, bao gồm các quá trình chú ý.

“Tôi thực sự háo hức,” Buschman cho hay. Khi nhìn vào công trình của các nhà nghiên cứu khác, “tôi chỉ nhớ mình đã thấy, chỗ này là tế bào thần kinh ổn định, chỗ kia là tế bào thần kinh thất thường! Giờ thì ta thấy chúng mọi lúc mọi nơi.”

Libby quan tâm đến tác động của kết quả nghiên cứu của họ đối với nghiên cứu trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là trong việc thiết kế những cấu trúc dữ liệu hữu ích cho các mạng lưới trí tuệ nhân tạo đa nhiệm. Bà nói: “Tôi muốn xem liệu việc phân bổ các tế bào thần kinh trong mạng thần kinh nhân tạo để chúng có sẵn thuộc tính ổn định hoặc thất thường, thay vì mang các thuộc tính ngẫu nhiên, có giúp ích gì cho mạng lưới hay không.”

Theo Maravall, nhìn chung “hệ quả của kiểu mã hóa thông tin này sẽ rất quan trọng và cũng cực kỳ thú vị để tìm hiểu.”