Não người nhận biết thời gian và không gian như thế nào?

Khi bạn nhớ về một sự kiện đặc biệt trong đời, ký ức về sự kiện này phải bao gồm 3 thành phần quan trọng nhất: sự kiện đó là gì, nó xảy ra ở đâu và vào thời điểm nào. Các nhà khoa học thuộc lĩnh vực thần kinh tại Viện Công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology – MIT) đã phát hiện ra một hệ thống tế bào não đảm nhận trách nhiệm lưu trữ và vận hành các yếu tố “khi nào” và “ở đâu” của kí ức con người.

Hệ thống tế bào não này liên kết với một bộ phận não trước có tên gọi là Hồi hải mã (Hippocampus) và một vùng đặc biệt trên vỏ não gọi là Entorhinal. Khi vận hành, hệ thống tế bào não này chia yếu tố “thời gian” và “địa điểm” thành hai dòng thông tin riêng biệt. Các nhà nghiên cứu cũng đồng thời xác định số lượng tế bào thần kinh (neuron) trong Vỏ Entorhinal đảm nhận vận chuyển loại thông tin này. Chúng được chia ra thành hai loại, và đánh dấu bằng tên gọi “tế bào biển” (ocean cells) và “tế bào đảo” (island cells).

Lúc trước, các nhà khoa học cho rằng bộ phận Hồi hải mã mới chính là cấu trúc não đóng vai trò quan trọng nhất trong việc lưu trữ và vận hành thông tin ký ức, đồng thời giữ luôn nhiệm vụ phân loại thông tin thành “thời gian” và “phạm vi”. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng, thông tin vốn đã được tách ra thành các phần riêng biệt trước khi được tiếp nhận bởi Hồi hải mã.

Hình ảnh miêu tả vỏ não Entorhical với các “tế bào biển” (màu đỏ) và “tế bào đảo” (màu xanh dương). Màu xanh lá huỳnh quang thể hiện các “tế bào biển” đã bị thay thế về mặt di truyền. Nguồn: Takashi Kitamura

“Một số ý kiến cho rằng trong Hồi hải mã có hai con đường nạp thông tin riêng biệt cùng song hành”, theo lời của Chen Sun, tiến sĩ trong lĩnh vực não và khoa học nhận thức. “Một đường vận chuyển thông tin về thời gian và một đường vận chuyển thông tin về phạm vikhông gian”.

Nằm ngay bên cạnh Hồi hải mã, Vỏ Entorhinal có nhiệm vụ sắp đặt lại các thông tin giác quan (nhìn, nghe, ngửi, chạm...) từ các vùng vỏ não khác gửi đến và chuyển các thông tin này về Hồi hải mã. Lúc này, kí ức sẽ bắt đầu được hình thành. Các nhà khoa học đã phát hiện ra hai loại “tế bào biển” và “tế bào đảo” đã từ vài năm trước, nhưng chức năng thật sự của chúng vẫn còn đang tiếp tục được nghiên cứu.

Hình ảnh miêu tả vỏ não Entorhical với các “tế bào biển” được gắn với màu xanh huỳnh quang còn các “tế bào đảo” có màu đỏ huỳnh quang. Màu xanh dương huỳnh quang thể hiện phần nhân tế bào. Nguồn: Takashi Kitamura

“Tế bào đảo” tập trung thành những cụm nhỏ và bị bao quanh bởi các “tế bào biển”. Não bộ dùng các “tế bào đảo” để tạo thành các kí ức kết nối giữa hai sự kiện diễn ra nhanh và liêp tiếp nhau. Còn “tế bào biển” đóng vai trò trong việc tạo thành những kí ức tiêu biểu có liên quan đến vị trí sự kiện diễn ra.

Nhằm nghiên cứu sâu hơn về chức năng của hai loại tế bào này, các nhà nghiên cứu đã gắn chúng với hai loại phân tử huỳnh quang có màu sắc khác nhau. Điều này khiến các tế bào “biển” và “đảo” phát sáng khi kết hợp với chất canxi. Đây cũng chính là một dấu hiệu chứng tỏ tế bào thần kinh (neuron) đang vận chuyển thông tin. Phương pháp này cho phép các nhà khoa học xác định được loại tế bào nào thật sự hoạt động trong cuộc nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu cũng đồng thời sử dụng một công nghệ mới gọi là “quang học di truyền” (optogenetics) giúp họ có thể điều khiển hoạt động của các tế bào thần kinh dựa trên việc sử dụng ánh sáng kích thích. Điều nàygiúp làm rõ sự thay đổi hành vi của các con chuột thí nghiệm khi một trong hai loại "tế bào biển" hoặc "đảo" không hoạt động.

Khi các nhà khoa học ngăn chặn khả năng hoạt động của "tế bào biển", các con chuột thí nghiệm mất đi khả năng liên kết và nhớ lại vị trí chính xác cũng như là cảm giác sợ hãi tại nơi mà chúng bị gây sốc điện. Trong khi đó, kích thích hoạt động của "tế bào đảo" khiến cho các nhà khoa học có thể kéo dài, hoặc làm ngắn lại khoảng thời gian giữa hai sự kiện liên kết trong kí ức của các cuộc thí nghiệm.

Các nhà khoa học cũng đồng thời phát hiện rằng, tỷ lệ lượng thông tin vận chuyển của các "tế bào đảo" phụ thuộc vào vận tốc di chuyển của động vật. Họ tin rằng "tế bào đảo" giúp các loài động vật xác định phương hướng trong không gian. Trong khi "tế bào biển" giúp chúng nhận ra vị trí của địa điểm hiện tại.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hai loại dòng thông tin về thời gian và không gian được vận chuyển theo các con đường khác nhau, từ Vỏ Entorhinal đến những phần khác nhau của Hồi hải mã. "Tế bào biển" gửi thông tin về phạm vi không gian đến vùng CA3 và vùng viền của Hồi hải mã. Trong khi đó, "tế bào đảo" sẽ gửi thông tin về thời gian đến vùng CA1.

Tuy nhiên, để tạo thành một kí ức hoàn chỉnh, hai loại thông tin trên phải được tái kết hợp lại với nhau. Và đây chính là vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và giải đáp trong tương lai.