Mở khóa ‘tủ tài liệu’ của não bộ

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam California (USC) đã có một bước đột phá đáng kể trong việc tìm hiểu cách thức não bộ con người hình thành, lưu trữ và nhớ lại ký ức thị giác.

Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Advanced Science, các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu điện não của bệnh nhân kết hợp với mô hình học máy để làm rõ quá trình mã hóa thông tin bên trong não bộ, giúp phân loại ký ức thành các danh mục – có thể hình dung nó như tủ đựng tài liệu của não bộ. 

Kết quả cho thấy nhóm nghiên cứu có thể đọc được tâm trí của một người bằng cách xác định loại hình ảnh thị giác mà người đó đang hồi tưởng và dựa trên thời điểm chính xác về hoạt động thần kinh. 

Công trình này đã giải quyết một vấn đề nền tảng trong khoa học thần kinh, đồng thời mang đến tiềm năng lớn về giao diện não – máy trong tương lai, bao gồm các thiết bị hỗ trợ để phục hồi trí nhớ đã mất ở các bệnh nhân mắc các rối loạn thần kinh như chứng mất trí nhớ. Người dẫn dắt nghiên cứu này là Dong Song, Phó Giáo sư tại Khoa Phẫu thuật thần kinh và Khoa Kỹ thuật y sinh Alfred E. Mann (USC), cùng các thành viên gồm Charles Liu, Giám đốc Trung tâm phục hồi thần kinh tại Trường Y Keck (USC) và là giáo sư kỹ thuật y sinh tại Trường Kỹ thuật Viterbi thuộc USC. Tác giả đầu tiên của nghiên cứu là Xiwei She, từng làm nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Song và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Stanford.

Hồi hải mã là một vùng não quan trọng, có chức năng hình thành ký ức theo từng giai đoạn – “cái gì, ở đâu và khi nào” của các sự kiện trong quá khứ. Người ta đã hiểu khá rõ về chức năng của hồi hải mã trong việc mã hóa thông tin không gian (ở đâu) và thời gian (khi nào), song cách nó mã hóa thế giới bậc cao rộng lớn về các vật thể (cái gì) vẫn còn là một bí ẩn. Hồi hải mã không lưu trữ từng đối tượng riêng biệt. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng não bộ đã tìm cách đơn giản hóa quá trình này thông qua việc mã hóa các thông tin theo danh mục. 

Là Giám đốc Phòng thí nghiệm Mô hình hóa và giao diện thần kinh của USC, Song đã thực hiện các nghiên cứu tiên phong về thiết bị hỗ trợ trí nhớ (memory prostheses: thiết bị giao diện não – máy được phát triển để hỗ trợ phục hồi hoặc tăng cường chức năng trí nhớ), tạo ra các thiết bị mô phỏng và phục hồi chức năng nhận thức, với các ứng dụng lâm sàng tiềm năng cho bệnh nhân mắc chứng mất trí nhớ và bệnh Alzheimer.

 “Chúng tôi đã thử nghiệm thiết bị hỗ trợ trí nhớ trên rất nhiều bệnh nhân, đồng thời công bố nhiều bài báo cho thấy các thiết bị này có thể cải thiện chức năng ghi nhớ của não bộ”, Song nói. “Nhưng chúng tôi cũng muốn tận dụng cơ hội này để trả lời một số câu hỏi cơ bản về khoa học thần kinh. Và đây là một trong số đó”. 

Trong nghiên cứu mới nhất, Song và các cộng sự đã khai thác dữ liệu điện não từ 24 bệnh nhân mắc bệnh động kinh với các điện cực não sâu được cấy ghép vào não để xác định vị trí cơn động kinh. Dữ liệu thu được giúp nhóm nghiên cứu xác định các tế bào thần kinh vùng hồi hải mã đã mã hóa thông tin thị giác phức tạp như thế nào, không chỉ dựa trên tốc độ truyền xung thần kinh, mà còn dựa trên thời điểm hoạt động của chúng. 

“Trong quá trình làm việc với những bệnh nhân bị rối loạn chức năng trí nhớ, chúng tôi rất hào hứng khi phát hiện một mô hình cơ chế thần kinh về sự hình thành trí nhớ”, Liu nói. 

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mô hình hóa thực nghiệm sáng tạo để tìm hiểu quá trình phức tạp này. Họ đã ghi lại hoạt động điện não, cụ thể là các xung thần kinh từ các tế bào thần kinh CA3 và CA1 vùng hồi hải mã ở bệnh nhân động kinh. Các dữ liệu điện não được thu thập trong khi bệnh nhân thực hiện nhiệm vụ ghép mẫu gián đoạn (delayed match-to-sample task) – một kỹ thuật khoa học thần kinh phổ biến để kiểm tra trí nhớ thị giác ngắn hạn. 

“Chúng tôi cho bệnh nhân xem năm loại hình ảnh: động vật, thực vật, nhà cửa, xe cộ và những công cụ nhỏ. Sau đó, chúng tôi ghi lại tín hiệu ở hồi hải mã”, Song nói. “Dựa trên tín hiệu này, chúng tôi sử dụng kỹ thuật học máy để tìm cách giải mã loại hình ảnh mà người bệnh đang nhớ lại”. 

Kết quả cho thấy não bộ hồi tưởng các ký ức thị giác bằng cách phân loại chúng, và các nhà nghiên cứu có thể giải mã được những loại ký ức thị giác mà bệnh nhân đang nghĩ đến dựa trên các tín hiệu não của họ. 

“Nó giống như việc đọc hồi hải mã của bạn để xem bạn đang hình thành loại trí nhớ nào”, Song nói. “Chúng tôi có thể giải mã khá chính xác loại hình ảnh mà bệnh nhân đang nhớ lại”. 

Cốt lõi của kết quả này nằm ở mô hình giải mã trí nhớ có thể diễn giải của nhóm nghiên cứu. Khác với các phương pháp trước đây thường dựa vào việc tính trung bình hoạt động của tế bào thần kinh qua các lần thử nghiệm hoặc sử dụng độ phân giải thời gian nhất định, mô hình của nhóm nghiên cứu phân tích “các mẫu không gian – thời gian” của các xung thần kinh từ một tập hợp tế bào thần kinh. 

Nghiên cứu cũng cung cấp bằng chứng cho thấy hồi hải mã sử dụng mã hóa thời gian để biểu diễn các loại ký ức thị giác. Như vậy, sự khác biệt về thời điểm của các xung thần kinh, dù ở mức độ mili giây, cũng thể hiện các loại ký ức khác nhau. Khác với các nghiên cứu trước đây thường tập trung vào từng tế bào thần kinh riêng lẻ, nghiên cứu này cho thấy các nhóm tế bào thần kinh ở hồi hải mã có thể mã hóa các loại ký ức theo cách phân tán. Mặc dù một tỷ lệ lớn tế bào thần kinh (70-80%) tham gia vào việc phân loại ký ức thị giác, nhưng mỗi tế bào thần kinh riêng lẻ chỉ hoạt động theo từng thời gian cụ thể, nhanh chóng. Chiến lược hiệu quả này giúp não bộ lưu trữ nhiều loại ký ức khác nhau và tiết kiệm năng lượng. 

“Với kết quả này, chúng ta có thể bắt đầu phát triển các công cụ lâm sàng để phục hồi tình trạng mất trí nhớ và cải thiện cuộc sống, bao gồm cả việc sử dụng các thiết bị hỗ trợ trí nhớ và các chiến lược phục hồi thần kinh khác”, Liu nói. “Mặc dù kết quả này có thể quan trọng đối với tất cả bệnh nhân mắc chứng rối loạn trí nhớ, nhưng nó đặc biệt ý nghĩa đối với những bệnh nhân động kinh tham gia nghiên cứu, nhiều người trong số họ bị rối loạn chức năng hồi hải mã, biểu hiện ở cả cơn động kinh cũng như các rối loạn nhận thức/trí nhớ.”

Những phát hiện của nhóm nghiên cứu đã cho thấy sự phức tạp trong cách tổ chức và lưu trữ thông tin của não bộ, đưa chúng ta đến gần hơn với việc giải mã bản chất của trí nhớ và cung cấp những hiểu biết vô giá về các phương pháp điều trị rối loạn thần kinh trong tương lai.

Chí Hiển dịch từ Đại học Nam California (USC)

Nguồn: https://viterbischool.usc.edu/news/2025/07/unlocking-the-brains-filing-cabinet/