Neil Burgess: Làm thế nào não bộ của bạn cho bạn biết bạn đang ở đâu

Khi chúng ta đỗ xe trong một bãi đỗ lớn, làm sao chúng ta có thể nhớ được là chúng ta đã đỗ xe ở đâu? đây chính là vấn đề mà Homer đang đối mặt Và chúng ta sẽ cố gắng hiểu điều gì đang xảy ra trong đầu anh ta.

Chúng ta sẽ bắt đầu với hippocampus (hồi hải mã-một phần của não trước ), được tô màu vàng, đó là bộ phận của trí nhớ. Nếu bạn bị thương tổn vùng này, như bệnh nhân Alzheimer, thì bạn không thể nhớ các sự việc bao gồm nơi mà bạn đã đỗ xe. Nó được đặt theo tiếng Latin của từ "hải mã", vì nó trông giống con hải mã. Cũng giống như phần còn lại của bộ não, nó được tạo thành từ các tế bào thần kinh.

Vì vậy bộ não người có khoảng một trăm tỉ tế bào thần kinh. Và các tế bào thần kinh trao đổi với nhau bằng cách gửi các xung hay tia điện nhỏ thông qua các kết nối đến nhau. Hồi hải mã được tạo thành từ hai lớp tế bào, các tế bào đó kết nối cực đậm đặc với nhau. Các nhà khoa học đã bắt đầu hiểu được trí nhớ không gian hoạt động thế nào bằng cách ghi lại từ các tế bào thần kinh độc lập ở những con chuột trong khi chúng lục lọi hay khám phá một môi trường để tìm thức ăn.

Chúng ta sẽ thử tưởng tượng chúng ta đang ghi lại một tế bào thần kinh đơn lẻ trong hồi hải mã của con chuột này. Khi nó phát ra một xung điện, thì sẽ có một chấm đỏ và một tiếng tách tách. Điều mà chúng ta thấy là tế bào thần kinh này biết được mỗi khi con chuột đã đi qua một nơi nào đó trong môi trường của nó. Nó thông báo cho phần còn lại của bộ não bằng cách gửi một xung điện nhỏ. Vì thế chúng ta có thể chỉ ra tốc độ phóng điện của tế bào thần kinh đó như là một hàm của vị trí con vật. Nếu chúng ta ghi lại từ rất nhiều tế bào thần kinh khác nhau, chúng ta sẽ thấy rằng các tế bào thần kinh khác nhau phóng điện khi con vật đi vào những khu vực khác nhau của môi trường giống như trong hộp vuông ở đây. Như vậy cùng với nhau chúng tạo nên một bản đồ cho phần còn lại của bộ não, nói với bộ não một cách liên tục, "Hiện tại tôi đang ở đâu trong môi trường?"

Các tế bào chỉ vị trí cũng được ghi nhận ở con người. Vì thế các bệnh nhân động kinh đôi lúc cần được theo dõi' hoạt động điện bên trong não bộ của họ. Vài bệnh nhân trong số đó chơi video game trong đó họ lái xe xung quanh một thị trấn nhỏ. Các tế bào vị trí trong hồi hải mã sẽ phóng điện, hoạt động, và gửi đi các xung điện mỗi khi họ đi qua một vị trí nhất định trong thị trấn

Vậy thì làm thế nào mà tế bào vị trí biết được con chuột hay người ở đâu trong môi trường? Hai tế bào này cho chúng ta thấy rằng các đường biên giới của môi trường là đặc biệt quan trọng. Vì thế tế bào trên cùng giống như phóng điện vào giữa các bức tường của cái hộp mà con chuột ở trong đó. Khi bạn mở rộng cái hộp, thì vị trí phóng điện cũng mở rộng. Ở cái hộp dưới này có vẻ như phóng điện mỗi khi có một sự tiếp cận với bức tường ở phía nam. Nếu bạn đặt một bức tường khác trong cái hộp đó, thì tế bào thần kinh sẽ phóng điện trong cả hai vị trí mỗi khi mà có một bức tường ở phía nào khi mà con vật khám phá xung quanh cái hộp của nó. Vì vậy điều này dự đoán rằng việc cảm nhận khoảng cách và phương hướng của các biên dưới xung quanh bạn -- các khu nhà xung quanh hay những nơi khác -- là cực kỳ quan trọng đối với đồi hải mã Thực sự thì, ở phần đầu vào của đồi hải mã, các tế bào được tìm thấy mà hướng vào đồi hải mã, phản hồi một cách chính xác để xác định các đường biên hay góc cạnh tại các khoảng cách và hướng cụ thể từ con chuột đó khi mà nó khám phá xung quanh.

Vì vậy tế bào bên trái, bạn có thể thấy, nó phóng điện mỗi khi con vật lại gần bức tường hay một đường biên về phía đông khi có một góc hay tường của chiếc hộp vuông hoặc tường vòng tròn của cái hộp tròn hoặc thậm chí là giọt nước tại góc của bàn, tại đó con chuột chạy vòng quanh nó. Và tế bào bên phải phóng điện mỗi khi có một đường biên tới phía nam, khi có một giọt nước tại góc bàn hay tường hoặc ngay cả khi khoảng cách giữa hai bàn được đẩy ra xa. Vì thế có một cách mà trong đó chúng ta nghĩ rằng các tế bào vị trí xác định con vật đang ở đâu khi nó khám phá xung quanh.

Chúng ta còn có thể kiểm tra việc chúng ta nghĩ các vật ở đâu, giống như cái cột cờ này, trong môi trường đơn giản -- hay thực tế chiếc ô-tô của bạn có thể ở đâu. Vì vậy chúng ta có thể cho một số người khám phá môi trường xung quanh của họ và xem các vị trí mà họ phải ghi nhớ. Và sau đó, nếu chúng ta đặt họ lại môi trường đó, nói chung thì họ tỏ ra rất tốt trong việc đặt chiếc bút đánh dấu xuống nơi mà họ nghĩ là cái cột cờ hay ô tô của họ ở đó. Nhưng ở một vài phép thử, chúng ta có thể thay đổi hình dạng và kích thước của môi trường giống như chúng ta đã làm với tế bào vị trí

Trong trường hợp đó, chúng ta có thể biết nơi mà họ nghĩ cái cột cờ đã ở thay đổi như là một hàm của việc bạn thay đổi hình dạng và kích thước của môi trường làm sao. Và như các bạn có thể thấy, chẳng hạn, nếu cái cột cờ ở tại nơi mà dấu gạch chéo đã ở trong một môi trường hình vuông nhỏ, và sau đó nếu bạn hỏi họ nó đã ở đâu, nhưng bạn đã làm cho môi trường rộng ra trước đó, nơi họ nghĩ cái cột cờ đã ở rộng ra chính xác cùng một cách mà tế bào vị trí phóng điện đã giãn ra. Cũng như nếu bạn nhớ nơi cái cột cờ đã ở bằng cách lưu lại mẫu của sự phóng điện qua tất cả các tế bào vị trí của bạn tại vị trí đó, và sau đó bạn có thể quay lại được vị trí đó bằng cách di chuyển xung quanh từ đó bạn khớp mẫu phóng điện hiện tại của các tế bào vị trí với mẫu đã lưu lại. Điều đó hướng dẫn cho bạn quay lại vị trí mà bạn muốn nhớ.

Nhưng chúng ta còn biết chúng ta ở đâu nhờ sự di chuyển. Vì vậy nếu chúng ta đi ra bên ngoài -- có thể là chúng ta đỗ xe và đi loanh quanh đâu đó -- chúng ta biết được vì đó là những sự di chuyển của chính chúng ta, mà chúng ta có thể tích hợp vào đường này một cách xấp xỉ với đường đi là quay trở lại. Các tế bào vị trí còn có thể nhận được loại đầu vào là tuyến đường tích hợp từ một loại tế bào gọi là tế bào lưới.

Các tế bào lưới một lần nữa được tìm thấy tại đầu vào của hồi hải mã, và chúng hao hao giống các tế bào vị trí. Nhưng bây giờ khi con chuột khám phá xung quanh mỗi tế bào riêng lẻ phóng điện trong toàn bộ một dãy các vị trí khác nhau mà được bố trí dọc theo môi trường trong một mạng lưới tam giác đều đáng kinh ngạc. Nếu bạn ghi lại từ vài tế bào lưới -- được chỉ ra ở đây theo những màu sắc khác nhau -- mỗi tế bào có một mẫu phóng điện giống như mạng lưới dọc theo môi trường, và mỗi mẫu phóng điện giống-mạng-lưới của tế bào được dịch chuyển đôi chút tương xứng với các tế bào khác. Vì thế các điểm phóng điện màu đỏ trong mạng lưới này và mạng lưới màu xanh ở đây và mạng lưới màu xanh ở đây.

Vậy là cùng với nhau, giống như nếu con chuột có thể đặt vào một mạng lưới ảo các vị trí phóng điện dọc theo môi trường của nó -- hơi giống với các đường kinh tuyến và vĩ tuyến mà bạn thấy trên bản đồ nhưng dùng các tam giác. Và khi nó di chuyển xung quanh, thì hoạt động điện có thể đi qua từ một trong số những tế bào này tới tế bào kế tiếp để lần theo nơi nó đang ở, vì thế nó có thể dùng chuyển động của chính nó để biết được nó đang ở đâu trong môi trường

Vậy con người có các tế bào lưới không? Bởi vì tất cả các mẫu phóng điện giống-mạng-lưới có cùng một trục đối xứng, cùng hướng của mạng lưới, được biễu diễn bằng màu vàng cam ở đây, điều đó có nghĩa là hoạt động thực của tất cả các tế bào mạng lưới trong một phần cụ thể của não bộ nên thay đổi tùy theo chúng ta đi dọc theo sáu hướng này hay đi theo một trong sáu hướng ở giữa. Chúng ta có thể đưa mọi người vào một máy quét MRI và cho họ chơi video game giống như người mà tôi đã giới thiệu với các bạn và tìm tín hiệu này Thực sự thì, bạn thấy nó trong võ não nội khứu (entorhinal cortex) của con người, đó là phần giống với phần bộ não mà bạn thấy các tế bào lưới ở những con chuột.

Quay lại với anh chàng Homer. Có thể anh ta nhớ được chiếc xe của anh ta ở đâu liên hệ với khoảng cách và hướng tới các tòa nhà và đường biên xung quanh vị trí mà anh ta đã đỗ xe. Và điều đó có thể được biễu diễn bằng sự phóng điện của các tế bào xác định đường biên. Anh ta còn nhớ được con đường mà anh đã đi ra khỏi bãi đỗ xe, mà có thể được biễu diễn theo sự phóng điện của các tế bào lưới. Cả hai loại tế bào đó đều có thể làm cho các tế bào vị trí phóng điện Khi anh ta quay lại vị trí mà anh ta đã đỗ xe bằng cách di chuyển như vậy để tìm vị trí của nó mà phù hợp nhất với mẫu phóng điện của các tế bào vị trí trong bộ não của anh ta hiện tại với mẫu đã lưu tại nơi anh ta đã đỗ chiếc xe. Và điều đó dẫn anh ta quay lại vị trí đó mà không quan tâm đến các dấu hiệu hình ảnh giống như việc xe của anh ta có thực sự ở đó không. Có thể nó đã bị kéo đi. Nhưng anh ta biết nó ở đâu, vì thế anh ta biết đi đâu và tìm thấy nó.

Vượt ra khỏi trí nhớ không gian, nếu chúng ta tìm kiếm mẫu phóng điện giống-mạng-lưới này qua toàn bộ bộ não, chúng ta sẽ thấy nó trong toàn bộ một chuỗi các vị trí mà luôn luôn tích cực khi chúng ta làm tất cả các loại nhiệm vụ trí nhớ tự luyện, như việc nhớ lần cuối cùng bạn tới một đám cưới chẳng hạn. Vì thế có thể là các cơ chế thần kinh cho việc biễu diễn không gian xung quanh chúng ta cũng được dùng cho việc tạo ra hình ảnh ảo nên ít ra chúng ta có thể tái tạo khung cảnh không gian của các sự kiện đã xảy ra với chúng ta khi chúng ta muốn tưởng tượng chúng.

Nếu điều này xảy ra, thì các ký ức của bạn có thể khởi động bằng cách các tế bào vị trí kích hoạt lẫn nhau qua những kết nối dày đặc này và sau đó kích hoạt lại các tế bào đường biên để tạo ra cấu trúc không gian của bối cảnh xung quanh điểm quan sát của bạn. Các tế bào lưới có thể dịch chuyển điểm quan sát này qua không gian đằng kia. Một loại tế bào khác nữa, các tế bào dẫn hướng, mà tôi chưa nhắc đến, chúng phóng điện giống như một chiếc la bàn tùy theo việc bạn đang đi theo đường nào Chúng có thể định nghĩa hướng quan sát từ điểm mà bạn muốn tạo ra một bức ảnh cho hình ảnh tưởng tượng của bạn, vì thế bạn có thể tưởng tượng điều gì đã xảy ra khi bạn ở đám cưới này chẳng hạn.

Đây chỉ là một ví dụ của một kỷ nguyên mới trong thần kinh học nhận thức trong đó chúng ra bắt đầu hiểu ra các quá trình tâm lý học giống như làm cách nào mà bạn có thể nhớ hay tưởng tượng hay thậm chí nghĩ theo những hành động của hàng tỷ tế bào thần kinh riêng biệt mà làm nên bộ não của bạn.

Cảm ơn các bạn rất nhiều.

(Vỗ tay)