Bộ não lưu trữ thông tin như thế nào?

Bài viết trả lời câu hỏi của bạn Nguyen Van Khanh gửi từ địa chỉ email vankhanhXXXX@gmail.com:

(Trích) Bộ não của chúng ta lưu trữ thông tin như thế nào? Có sự tương đồng nào giữa con người và máy tính không? Bộ não lưu trữ thông tin ở cấp độ nào Tế bào? Cấp phân tử? Nguyên tử? hay ở cấp độ tinh vi hơn nữa như Lượng tử?

Để trả lời câu hỏi của bạn một cách ngắn gọn:

1. Bộ não của chúng ta lưu trữ thông tin như thế nào?
Bộ não của chúng ta lưu trữ thông tin trong những tế bào thần kinh (neurons), và những khớp kết nối (synapses) giữa các tế bào này với nhau. Mỗi khái niệm trong não có thể được tượng trưng bằng một mạng kết nối khác nhau giữa các tế bào thần kinh. Sự hình thành những kiến thức mới (learning) xảy ra khi các khớp kết nối giữa nhiều neurons trở nên mạnh hơn và liên kết giữa một cụm tế bào mới được hình thành.

2. Có sự tương đồng nào giữa con người và máy tính không?
Bộ não là một hệ thống sinh học, được hình thành từ hàng triệu năm tiếng hoá. Những lý thuyết tâm lý vào những năm 1960 so sánh bộ não với máy tính vì trong thời đại đó chúng ta thiếu một tương tự tốt hơn để giải thích hệ thống này. Tuy nhiên, hiện tại chúng ta bắt đầu nhận thấy được rằng tạo ra một hệ thống máy tính có khả năng bắt chước chức năng của não là một thách thức mà còn lâu chúng ta mới có thể thực hiện được.

3. Bộ não lưu trữ thông tin ở cấp độ nào Tế bào? Cấp phân tử? Nguyên tử? hay ở cấp độ tinh vi hơn nữa như Lượng tử?
Công nghệ nghiên cứu mà chúng ta có hiện tại chưa cho phép chúng ta xem xét bộ não ở những cấp độ thấp hơn cấp độ phân tử. Tuy nhiên theo chúng ta biết phần lớn các quá trình hóa sinh của bộ não dường như xảy ra hoàn toàn trên cấp độ phân tử và tế bào, vì vậy chúng ta chưa có nhu cầu tìm hiểu bộ não ở những cấp độ sâu hơn.

Để hiểu rõ hơn, mời bạn đọc phần giải thích chi tiết của VIET Psychology dưới đây.

Đầu tiên chúng ta phải hiểu sơ được một vài đều cơ bản về bộ não. Bộ não của chúng ta được hình thành từ khoảng 100 nghìn tỉ tế bào thần kinh (neurons) , mỗi tế bào thần kinh có tới khoảng vài ngàn sự liên kết với những tế bào thần kinh khác.  Những tế bào thần kinh này giao tiếp với nhau bằng những tín hiệu điện hoá (electrochemical signals). Đây là tín hiệu điện được truyền dọc theo sợi trục neuron bởi sự di chuyển của các phân tử ion, và hai neurons giao tiếp với nhau bằng những chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter).

Sơ Đồ 1. Một tín hiệu tuyên truyền xuống một sợi trục tế bào cơ thể và đuôi gai của tế bào tiếp theo

Bộ não của một người lớn có khả năng sản xuất tế bào mới (neurogenesis) nhưng điều này chỉ xảy ra trong một vài trường hợp cụ thể và số lượng tế bào mới là không đáng kể. Trong khi đó, xi-náp (synapses) – điện tiếp xúc giữa các tế bào thần kinh với các tế bào thần kinh hoặc tế bào khác liên tục được tạo ra (synaptogenesis). Từ đó, nhà khoa học Ramón y Cajal (1894), đề xuất rằng các ký ức có thể được lưu trữ trên các xi-náp, cho phép sự trao đổi thông tin giữa các tế bào thần kinh với nhau, thay vì trong các tế bào thần kinh.

Sơ Đồ 2. Cấu tạo của một neuron.

Nhưng trước khi đi sâu vào hệ thống neuron, chúng ta cần phải có được một tầm nhìn tổng quát về bộ não. Đầu thế kỷ 20, một nhà khoa học Đức tên là Brodmann (1907) khám phá ra sự khác biệt về cấu trúc và tổ chức của các tế bào thần kinh (cytoarchitechtonic of neurons) giữa những vùng khác nhau, và phân chia bộ não ra thành 52 bộ phận dựa theo sự khác biệt trên. Đầu thế kỷ 19, nhà khoa học Gall giả thuyết rằng mỗi vùng não khác nhau này chịu trách nhiệm cho một chức năng khác nhau, bao gồm cả nhiệm vụ lưu trữ ký ức của con người.

 


Sơ Đồ 3. 52 bộ phận Brodmann (52 Brodmann’s areas) dựa theo chức năng

 

Giả thuyết này được gọi là khu biệt hoá chứng năng (localisation of function) do Penfield đề xuất vào năm 1954. Ông nhận thấy rằng, trước một ca giải phẩu thần kinh, khi một điện cực (electrode) được đặt lên bề mặt của não, cánh tay của bệnh nhân đột ngột di chuyển ngoài ý muốn của bệnh nhân. Khu vực được kính thích này thuộc vào thuỳ đỉnh (parietal lobe) của bộ não, một bộ phận với chức năng tạo ra và kiểm soát sự vận động, và xử lý thông tin liên quang dến xúc giác. Giả thuyết này đã dẫn đến sự phát triển đáng kể trong thần kinh nhận thức học (cognitive neuroscience).

 

Sơ Đồ 4. Đại não (celebrum) được chia thành 4 vùng.

Khi nhìn tổng quát, đại não (celebrum) được chia thành 4 vùng chính dựa theo chức năng, và cấu trúc và cách sắp sếp của các tế bào thần kinh (cytoarchitechtonic of neurons).

  1. Thuỳ Chẩm (Occipital lobe) xử lý thông tin liên quan đến thị giác.
  2. Thuỳ Đỉnh (Parietal lobe) xử lý xúc giác và điều khiển sự vận chuyển.
  3. Thuỳ Trán (Frontal lobe) có những chức năng “nâng cao” những đặc trưng phức tạp, tinh tế của con người như tính toán, lập kế hoặch, tưởng tượng, giải quyết các vấn đề khó khăn và những tình huốn xã hội v.v… (tỷ lệ Thuỳ Trán của con người lớn hơn tỷ lệ Thuỳ Trán của các động vật khác trừ những loài vượn lớn).
  4. Thuỳ Thái Dương (Temporal lobe) có chức năng xử lý thông tin liên quan đến thính giác và ngôn ngữ. Chúng ta tin rằng từ điển ngữ nghĩa (semantics) của con người cũng được đặt ở đây. Bộ phận nằm trung tâm bộ não ờ Thuỳ Thái Dương tên là vùng Trung Thái Dương (medial temporal lobe; MTL) là nơi chúng ta có thể tìm được vùng hải mã (hippocampus ) và vùng hạch hạnh nhân (amygdala), những bộ phận não có vai trò quan trọng trong việc hình thành và lưu trữ trí nhớ (lưu ý: kí ức được lưu trữ ở khắp đại não).

Thông thường, bốn thuỳ của bộ não đề cập tới thuộc các vùng thuộc bề ngoài não gọi là Đại Não (Cerebral Cortex). Vùng MTL là một phần của hệ thống bán tín (limbic system), một nhóm cấu trúc não thiết yếu cho việc xử lý, điều tiết cảm xúc, trí nhớ, và kích thích tình dục. Ngoài ra bộ não còn bao gồm tiểu não (cerebellum) có nhiều chức năng trong đó là khả năng cân bằng, di chuyển tinh vi; và Thân Não (brainstem hay hindbrain) với các chức năng tồn tại cơ bản như hô hấp, ngủ, v.v…

 

Sơ Đồ 5. Đại não (Cerebral Cortex), Hệ Thống Bán Tín (Limbic System), Tiểu Não (Cerebellum), và Thân Não (Brain Stem).

Nội địa hoá chứng năng (localisation of function) cho rằng những thông tin khác nhau trong não được lưu trữ ở những khu vực khác nhau của não bộ. Tuy nhiên, dựa trên giả thuyết của Ramón y Cajal (1894), gần đây các nhà khoa học đã xác nhận được là bộ não lưu trữ thông tin trên một cấp độ sâu hơn nữa.

Cụ thể hơn là những thông tin này được hình thành từ khả năng thay đổi cường độ liên kết giữa các xi-náp hay synaptic plasticity (tạm dịch là sự dẻo dai của xi-náp). Giả thuyết này được nhấn mạnh bởi Hebb (1949), người đề xuất rằng synaptic plasticity được đưa ra từ những kích thích lặp đi lặp lại và kéo dài giữa khớp tế bào trước (presynaptic terminal) và khớp tế bào sau (postsynaptic terminal). Điều này có nghĩa là khi neuron A and neuron B được kích hoạt cùng lúc, các synapses giữa hai tế bào sẽ trở nên mạnh hơn và hai neuron này sẽ có thể kích hoạt lẫn nhau hiệu quả hơn. Những sự liên kết này dần dần tạo ra một mạng kết nối để đại diện cho một khái niệm nào đó. Sự thay đồi trong cấu trúc của những khớp thần kinh này được gây ra bởi sự di chuyển của các phân tử trong chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter), dẫn đến những thay đổi trong sự phiên mã và biểu hiện gen (gene transcription & expression) trong tế bào thần kinh.


Sơ Đồ 6. Mô hình hệ thống lưu trữ thông tin trong não theo như giả thuyết “tế bào như bộ phận lắp ráp” của Hebb. Những đặc chất trùng nhau của hai khái niệm sử dụng chung một vài tế bào.

Để giải thích hiện tượng này theo một cách dễ hiểu hơn: một tế bào thần kinh có thể tượng trưng cho một đặc tính nào đó, ví dụ, có lông, có bốn chân, lớn, bé, v.v… Khi xem xét một con mèo, những tế bào thần kinh tượng trưng cho sự: có lông, bốn chân, và bé (nêu lên một vài ví dụ) sẽ được kích hoạt cùng lúc, và với tiếp xúc nhiều lần sẽ tạo nên một khái niệm “con mèo”. Một con chó có thể kích hoạt một vài đặc tình khác, v.d. tiếng sủa, khuôn đầu, v.v. và sẽ được lưu trữ trong một cấu hình tế bào thần kinh khác, tuy nhiên một vài đặc tính, v.d. có lông & bốn chân, sẽ chia sẻ một phần mô hình kích hoạt chung với con mèo.

Hiện tượng này được đặt tên là “sự tăng cường tiềm năng điện dài hạn” (long term potentiation; LTP) bởi Douglas và Goddard (1975). Cái tên này đề cập đến cách các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau thông qua tiềm năng điện, và một kết nối giữa các khớp thần kinh mạnh hơn là một kết nối có tiềm năng điện lớn hơn. LTP được phát hiện trong hippocampus của loài động vật có vú bởi Bliss và Lømo năm 1973. LTP xảy ra nhiều trong vùng Trung Thái Dương (Medial Temporal Lobe), nơi phần lớn trí nhớ của con người được hình thành. Tuy nhiên chúng ta đã có được bằng chứng cho rằng LTP xảy ra trong toàn bộ não. Có nhiều bằng chứng cho thấy răng LTP đóng vai trò thiết yếu trong việc lưu trữ trí nhớ dài hạn (long-term memory). Ví dụ như khi tiêm thuốc ngăn chặn LTP cho chuột, chúng sẽ ngay lập tức gặp khó khăn lớn trong việc nhớ xem chúng đã ở đâu và dễ dàng bị lạc (Anderson, Lynch, & Baudry, 1986).

Vậy LTP xảy ra như thế nào? LTP được giải thích bởi các thuộc tính của các thụ thể (receptor) N-methyl-D-aspartate (NMDA) đôi cổng (double-gated), nằm ở trên đuôi gai (dendritic spines) của khớp tế bào sau (postsynaptic neurons). Glutamate là chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter) chính phụ trách kích thích vùng hippocampus, và nó có thể kích hoạt các receptor NMDA và những receptor khác.

 


Sơ Đồ 7. Các tế neuron truyền thông tin trong synapses bằng neurotransmitters.

 

Receptor NMDA trong trạng thái tự nhiên bị chặn bởi các ion magnesium (Mg2+). Các ion Mg2+ chỉ được đẩy ra khỏi các receptor NMDA khi glutamate gắn (bind) vào các thụ thể này, và khi màng tế bào (membrane) đã được khử cực (depolarized). Khi hai điều kiện này được đáp ứng, Mg2+ được đẩy ra và calcium (Ca2+) mới có thể nhập vào các tế bào.

 

Sơ Đồ 8. Cấu trúc một receptor NMDA.

 

Ảnh hưởng của sự tràn vào của Ca2+ thông qua các receptor NMDA là rất quan trọng đối với sự hình thành cửa LTP. Ca2+là một tín hiệu nội bào (intracellular messenger), khi có mặt sẽ thay đổi cách hoạt động của các enzim (enzime), dẫn tới sự biến đổi trong cường độ kết nối giữa các synapse. Cho dù nhũng tiến bộ trong việc tìm hiểu cơ chế của LTP trên những cấp độ sinh lý va sinh hoá học đã phát triển rất nhanh, cách giải thích cơ cấu của LTP trên một cấp độ phân tử cẫn đang được tranh cãi cho tới nay.

Thinh H viết

Tham khảo:
Gazzaniga, M., Ivry, R., & Mangun, G. (2009). Cognitive neuroscience: The biology of the mind. (3rd ed.). New York, NY: W. W. Norton & Company, Ltd.
http://hypertextbook.com/facts/2002/AniciaNdabahaliye2.shtml
http://www.mind.ilstu.edu/curriculum/neurons_intro/neurons_intro.php/
http://www.brain-maps.com/brodmann-areas.html
http://www.dreamstime.com/stock-image-human-brain-lateral-view-image15934551
http://www.withthebraininmind.org/buildingbrains/unit_3/unit_3_03.php

This entry was posted in Neuroscience | Khoa học thần kinh and tagged . Bookmark the permalink.

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s