Tổng hợp: Trần Thu Hiền.Psyme.Org

Miễn trừ trách nhiệm: Tài liệu này được biên soạn với mục đích phục vụ cho khóa học trực tuyến miễn phí: Tâm lý học nhận thức do PsyMe.org tổ chức cho cộng đồng. Mọi nội dung trong tài liệu này chỉ được sử dụng cho mục đích giảng dạy trong khóa học, không nhằm mục đích thương mại. Mọi hình thức sao chép, trích dẫn hoặc chia sẻ, phát tán tài liệu này dưới bất kỳ hình thức nào ra bên ngoài phạm vi khóa học đều không được PsyMe cho phép. PsyMe không chịu trách nhiệm về bất kỳ tranh chấp nào phát sinh liên quan đến việc sử dụng tài liệu này vượt quá phạm vi đã đề cập ở trên.

Một số câu hỏi thảo luận 

+ Khoa học thần kinh nhận thức (cognitive neuroscience) là gì và tại sao khoa học thần kinh lại cần thiết? 

+ Thông tin được truyền tải từ nơi này sang nơi khác trong hệ thần kinh (nervous system) như thế nào? 

+ Những thứ trong môi trường xung quanh như là khuôn mặt hoặc các địa điểm hiển thị trong não bộ như nào ? 

+ Mạng lưới thần kinh (neural networks) và vai trò của chúng là gì đối với nhận thức? 

Nghiên cứu tâm trí trải qua nhiều biến động từ Ebbinghaus qua chủ nghĩa hành vi của Watson và Skinner. Vào những năm 1950 và 1960, các nhà khoa học quay lại nghiên cứu với mô hình xử lý thông tin lấy tưởng từ quá trình xử lý thông tin của máy tính.

Đồng thời vào những năm 1950, nghiên cứu ghi lại xung thần kinh từ tế bào thần kinh đơn lẻ xuất hiện, thúc đẩy nghiên cứu sinh lý học tăng mạnh cùng với cuộc cách mạng nhận thức.

Chương này nói về khoa học thần kinh nhận thức, nghiên cứu cơ sở sinh lý của nhận thức, với ý tưởng “các cấp độ phân tích” và các nghiên cứu từ thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đặt nền móng cho những khám phá từ những năm 1950

I. Các cấp độ phân tích 

Mức độ phân tích cho phép nghiên cứu một chủ đề theo nhiều cấp độ khác nhau, mỗi cách đóng góp một khía cạnh riêng. Ví dụ, để hiểu về ô tô, ta có thể bắt đầu bằng việc lái thử để đánh giá hiệu suất, sau đó xem xét cơ chế hoạt động như động cơ và hệ thống phanh, và cuối cùng là xem xét chi tiết bên trong xi-lanh.

Rõ ràng, việc xem xét ô tô từ các mức độ khác nhau như lái xe, mô tả động cơ và quan sát bên trong xi-lanh cung cấp nhiều thông tin hơn so với chỉ đo hiệu suất của xe.

Áp dụng ý tưởng về mức độ phân tích vào nhận thức, ta có thể xem việc đo lường hành vi tương tự như đo hiệu suất của xe, và đo lường các quá trình sinh lý phía sau hành vi tương tự như xem xét dưới mui xe. Chúng ta có thể nghiên cứu sinh lý của nhận thức từ mức độ toàn bộ não, đến các cấu trúc bên trong não, đến các hóa chất tạo ra tín hiệu điện trong các cấu trúc này.

Để hiểu đầy đủ bất kỳ hiện tượng nào, cần phải nghiên cứu ở nhiều mức độ phân tích khác nhau. Trong cuốn sách này, chúng tôi sẽ mô tả nghiên cứu về nhận thức ở cả mức độ hành vi và sinh lý, bắt đầu với một trong những đơn vị cơ bản của hệ thần kinh: tế bào thần kinh (nơron).

II. Tế bào thần kinh nơron: Các nguyên lý cơ bản 

Để hiểu mối quan hệ giữa não và tâm trí, cũng như các quá trình nhận thức, trí nhớ và suy nghĩ, cần xem xét bên trong não và quan sát các tế bào thần kinh, những đơn vị nhỏ tạo và truyền thông tin.

2.1. Những quan điểm ban đầu về tế bào thần kinh   

Trước đây, cấu trúc mô não là một bí ẩn. Vào thế kỷ 19, các nhà giải phẫu đã nhuộm mô não để tăng độ tương phản, giúp họ quan sát được lưới thần kinh tưởng chừng liên tục. Tuy nhiên, Camillo Golgi phát triển kỹ thuật nhuộm bạc, chỉ một phần nhỏ tế bào bị nhuộm và ta có thể thấy rõ cấu trúc của chúng. Ramon y Cajal dùng kỹ thuật này cùng với việc nghiên cứu não động vật mới sinh, khám phá rằng mạng lưới thần kinh không liên tục mà gồm các đơn vị riêng lẻ, gọi là tế bào thần kinh (neuron). 

Một tế bào thần kinh nơron điển hình có thân tế bào, sợi nhánh nhận tín hiệu và sợi trục truyền tín hiệu, cùng với khe synapse giữa các neuron. Neuron liên kết thành các mạch thần kinh và có các thụ cảm thể chuyên biệt để nhận thông tin từ môi trường. Những phát hiện này giúp hiểu rõ hơn về cách hệ thần kinh hoạt động, tạo cơ sở cho nghiên cứu nhận thức. Cajal nhận giải Nobel năm 1906 và được coi là người mở đường cho nghiên cứu tế bào thần kinh.

Hình 2.1: Tế bào thần kinh nơron điển hình

Hình 2.2: Tế bào thần kinh tiếp synap trên thân tế bào của một tế bào thần kinh khác và quá trình các chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng để truyền thông tin giữa 2 tế bào 

2.2. Các tín hiệu đi qua tế bào thần kinh 

Cajal mô tả cấu trúc và chức năng của nơron nhưng việc hiểu bản chất tín hiệu neuron phải chờ đến khi có bộ khuếch đại điện tử đủ mạnh để các tín hiệu điện cực nhỏ có thể quan sát được. Vào những năm 1920, Edgar Adrian ghi lại tín hiệu điện từ một nơron đơn lẻ, nhận giải Nobel năm 1932. Ông phát hiện khi sợi trục (axon) hoặc sợi thần kinh (nerve fiber) ở trạng thái nghỉ, có một hiệu điện thế -70 mV bên trong sợi trục so với bên ngoài (đây được gọi là điện thế nghỉ). Khi một tế bào thần kinh được kích thích và một xung thần kinh được truyền xuống sợi trục, tín hiệu điện bên trong tăng đến +40mV (được gọi là điện thế hoạt động) và các điện thế này di chuyển dọc theo sợi trục mà không thay đổi hình dạng hoặc chiều cao. 

Adrian cũng phát hiện rằng khi tín hiệu đến khe synapse, chất dẫn truyền thần kinh sẽ giúp truyền tín hiệu qua khe hở giữa các tế bào thần kinh nơron. Ông nghiên cứu mối quan hệ giữa tần suất phóng điện của tế bào thần kinh và cảm giác, nhận thấy cường độ cảm giác liên quan đến tần suất phóng điện của nơron: Cảm giác càng mạnh thì tần suất phóng điện càng cao, cảm giác càng yếu thì tần suất phóng điện càng thấp. Điều này cũng đúng với ánh sáng: ánh sáng mạnh tạo tần suất phóng điện cao, ánh sáng yếu tạo tần suất phóng điện thấp. Tuy nhiên, tất cả các tín hiệu đều có cùng hình dạng và chiều cao, sự khác biệt trong cảm giác là do tần suất phóng điện neuron và vùng não khác nhau được kích hoạt.

III. Những kiến tạo/mô phỏng tạo ra bởi sự phóng điện của nơron  

Chương 1 định nghĩa tâm trí là một hệ thống mô phỏng/kiến tạo lại thế giới xung quanh để chúng ta có thể hành động/tương tác để đạt được mục tiêu. Nguyên tắc biểu diễn thần kinh cho rằng mọi trải nghiệm dựa trên sự biểu diễn trong hệ thần kinh. Nghiên cứu của Adrian về xung thần kinh và cường độ kích thích khởi đầu cho xu hướng nghiên cứu này, bây giờ chúng ta sẽ cùng xem những nghiên cứu ban đầu về đo lường tín hiệu điện – sinh lý từ các tế bào thần kinh đơn lẻ ở những năm 1960

3.1. Sự biểu diễn thần kinh  

Vào những năm 1960, các nhà nghiên cứu tập trung đo từ các tế bào thần kinh đơn lẻ trong khu vực tiếp nhận thị giác, sau đó nghiên cứu bắt đầu phát triển họ nghiên cứu các tế bào thần kinh bên ngoài vỏ não sơ cấp. Họ phát hiện rằng nhiều tế bào thần kinh ở các cấp độ cao hơn phóng điện đối với các kích thích phức tạp như hình học và khuôn mặt, và một kích thích cụ thể gây ra hoạt động phân bố ở nhiều khu vực khác nhau của vỏ não. Điều này cho thấy thị giác không chỉ được tạo ra ở khu vực tiếp nhận thị giác ở cùng vỏ não sơ cấp mà ở nhiều khu vực khác nhau. Và như vậy có thể thấy rằng, các kích thích được biểu diễn trong hệ thần kinh ở các vùng khác nhau của não.  

Nghiên cứu mở rộng ra ngoài thị giác cho thấy trí nhớ cũng không do một khu vực duy nhất đảm nhận mà liên quan đến nhiều khu vực khác nhau. Điều này dẫn đến nhận thức rằng nhiều khu vực rộng lớn của não tham gia vào việc tạo ra nhận thức. Khi hiểu rằng biểu diễn thần kinh đòi hỏi phải xem xét nhiều khu vực khác nhau trong não, các nhà nghiên cứu bắt đầu chú ý đến cách các khu vực này kết nối với nhau. Ý tưởng về các tín hiệu thần kinh được truyền giữa nhiều điểm đến trong một não bộ liên kết dẫn đến quan niệm hiện nay về não như một hệ thống đường cao tốc rộng lớn, được mô tả là “mạng lưới thần kinh”. Trước đó chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu đặc tính khác nhau của các kích thích được biểu diễn như nào trong hệ thần kinh

 3.2. Bộ phát hiện đặc tính

Một câu trả lời khả thi cho câu hỏi “làm thế nào mà các xung thần kinh có thể đại diện cho các đặc tính/tính chất khác nhau của kích thích?” là có những tế bào thần kinh chỉ phóng điện đáp ứng với các đặc tính cụ thể của kích thích. Nghiên cứu ban đầu (Hartline, 1940; Kuffler, 1953) và các bài báo của David Hubel và Thorsten Wiesel, giúp họ giành giải Nobel năm 1981, đã chứng minh điều này.

Vào những năm 1960, Hubel và Wiesel thực hiện các thí nghiệm với mèo để xác định kích thích nào gây ra hoạt động cụ thể của từng tế bào thần kinh. Họ phát hiện ra rằng mỗi tế bào thần kinh trong vùng thị giác của vỏ não chỉ đáp ứng với một loại kích thích cụ thể và gọi chúng là “bộ phát hiện đặc tính” vì chúng đáp ứng với các đặc trưng kích thích cụ thể như hướng, chuyển động và độ dài.

Ý tưởng rằng các bộ phát hiện đặc tính liên quan đến tri giác được hỗ trợ bởi nhiều thí nghiệm chứng khác nhau – thí nghiệm về tính dẻo dựa trên kinh nghiệm là một trong những thí nghiệm đó, trong đó cấu trúc não bộ thay đổi theo kinh nghiệm. Blakemore và Cooper (1970) nuôi mèo con trong môi trường chỉ có các đường thẳng đứng hoặc ngang và phát hiện rằng các tế bào thần kinh của chúng chỉ đáp ứng với các đường đó, chứng minh tính dẻo dựa trên trải nghiệm và cho thấy tri giác được định hình bởi các tế bào thần kinh phóng điện đáp ứng với các đặc tính cụ thể của kích thích.

Nghiên cứu tiếp theo cho thấy rằng các vùng thị giác trong não người không chỉ nhận tín hiệu từ vỏ não thị giác mà còn liên quan đến một mạng lưới rộng lớn các vùng khác nhau, chiếm khoảng 30% vỏ não. Điều này dẫn đến quan niệm về não như một hệ thống đường cao tốc rộng lớn, nơi các tín hiệu thần kinh được truyền giữa nhiều điểm đến trong một hệ thống liên kết phức tạp.

 3.3. Các tế bào thần kinh đáp ứng các kích thích phức tạp 

Làm thế nào các kích thích phức tạp được mô phỏng bởi sự phóng điện của các tế bào thần kinh trong não? Charles Gross đã giải quyết câu hỏi này qua các thí nghiệm đo từ tế bào thần kinh đơn lẻ ở thùy thái dương của khỉ. Những thí nghiệm kéo dài nhiều ngày sau thử nghiệm cho thấy các tế bào thần kinh trong thùy thái dương đáp ứng với các kích thích phức tạp như hình dạng bàn tay hoặc khuôn mặt, thay vì các kích thích đơn giản như đường thẳng hoặc hình tròn.

Các tế bào thần kinh trong vỏ não thị giác đáp ứng với các kích thích đơn giản gửi tín hiệu đến các cấp cao hơn của hệ thống thị giác, nơi các tín hiệu này kết hợp và tương tác, dẫn đến các tế bào thần kinh đáp ứng với các kích thích phức tạp hơn. Quá trình này, gọi là xử lý phân cấp, tạo ra các tế bào thần kinh ở các vùng cao cấp hơn đáp ứng với các kích thích phức tạp như khuôn mặt.

Tuy nhiên, biểu hiện thần kinh rất có thể liên quan đến sự phối hợp của nhiều tế bào thần kinh thay vì một tế bào đơn lẻ đáp ứng với một đối tượng cụ thể.

 3.4. Mã hoá cảm giác

Vấn đề mã hóa cảm giác đề cập đến cách các neuron đại diện cho các đặc điểm của môi trường. Có ba loại mã hóa chính:

• Mã hóa đặc hiệu (specificity coding): Một đối tượng cụ thể được đại diện bởi sự phóng điện của một neuron chuyên biệt. Ví dụ: Một người có một neuron chuyên biệt phản ứng chỉ khi họ nhìn thấy một khuôn mặt cụ thể, chẳng hạn như khuôn mặt của mẹ họ. Neuron này không phản ứng với bất kỳ khuôn mặt nào khác hoặc bất kỳ đối tượng nào khác. Đây là một ví dụ về mã hóa đặc hiệu, nơi một đối tượng cụ thể (khuôn mặt của mẹ) được đại diện bởi sự phóng điện của một neuron duy nhất
• Mã hóa quần thể (population coding): Một đối tượng được đại diện bởi sự kết hợp hoạt động phóng điện của một số lượng lớn các neuron. Ví dụ: Khi bạn nhìn thấy một quả táo, không có một neuron duy nhất nào phản ứng độc quyền với quả táo. Thay vào đó, nhiều neuron khác nhau trong não đồng thời phóng điện theo các mẫu cụ thể để đại diện cho quả táo. Một số neuron có thể phản ứng mạnh mẽ với màu đỏ của quả táo, một số khác phản ứng với hình dạng tròn của nó, và các neuron khác có thể phản ứng với các đặc điểm khác như kết cấu hoặc kích thước. Kết hợp hoạt động của tất cả các neuron này tạo ra nhận thức về quả táo trong tâm trí bạn
• Mã hóa thưa (sparse coding): Một đối tượng cụ thể được đại diện bởi mẫu hoạt động phóng điện của một nhóm nhỏ các neuron, trong khi đa số các neuron không có phản ứng. Một neuron có thể đáp ứng với nhiều kích thích khác nhau, nhưng với mức độ khác nhau.

Nghiên cứu của Charles Gross và các đồng nghiệp đã ghi nhận từ các tế bào thần kinh ở thùy thái dương của khỉ và phát hiện rằng một số neuron đáp ứng với các kích thích phức tạp như hình dạng bàn tay hoặc khuôn mặt. Điều này hỗ trợ cho ý tưởng mã hóa thưa.

Các nghiên cứu gần đây cũng phát hiện các neuron ở thùy thái dương của bệnh nhân đang phẫu thuật não đáp ứng với các kích thích rất cụ thể, như hình ảnh của nam diễn viên Steve Carell. Mặc dù các neuron này có vẻ chuyên biệt, khả năng cao chúng cũng có thể phóng điện đáp ứng với nhiều kích thích khác nhau, cho thấy mã hóa thưa.

Trí nhớ cũng được đại diện bởi sự phóng điện của các neuron, khác biệt với tri giác ở chỗ hoạt động phóng điện liên quan đến thông tin đã được lưu trữ trong quá khứ. Nguyên tắc cơ bản của mã hóa quần thể và mã hóa thưa cũng có thể áp dụng cho trí nhớ, với các ký ức cụ thể được đại diện bởi các mẫu phóng điện thần kinh.

Hiểu về các loại mã hóa này là bước đầu tiên trong việc hiểu biểu diễn thần kinh, tiếp theo là việc hiểu cách thức tổ chức của các loại tế bào thần kinh và chức năng trong não bộ.

IV. Đại diện cục bộ  

Cục bộ hóa chức năng là nguyên tắc tổ chức não bộ, trong đó các vùng cụ thể đảm nhiệm các chức năng cụ thể. Vỏ não, lớp mô dày 3 mm bao phủ não, chịu trách nhiệm cho nhiều chức năng nhận thức, và các vùng dưới vỏ não cũng phục vụ các chức năng khác nhau. Bằng chứng về nguyên tắc này đến từ nghiên cứu hành vi của những người bị tổn thương não.

4.1. Xác định cục bộ hoá bằng tâm lý học thần kinh  

Vào đầu thế kỷ 19, nguyên lý về tính đẳng thế của vỏ não (cortical equipotentiality) được chấp nhận, nguyên lý này cho rằng não hoạt động như một tổng thể không thể chia cắt (Flourens, 1824; Pearce, 2009). Tuy nhiên, nghiên cứu của Paul Broca vào năm 1861 đã chứng minh rằng tổn thương vùng Broca ở thùy trán gây ra chứng nói khó Broca, với lời nói chậm và không theo ngữ pháp (Dick và cộng sự, 2001). Tương tự, Carl Wernicke vào năm 1879 phát hiện vùng Wernicke ở thùy thái dương, tổn thương gây ra chứng nói khó Wernicke, với lời nói trôi chảy nhưng vô nghĩa (Dick và cộng sự, 2001; Traxler, 2012). Những phát hiện này chứng minh cục bộ hóa chức năng, nơi các vùng cụ thể của não đảm nhiệm các chức năng cụ thể. 

Nghiên cứu về tổn thương não do chiến tranh cung cấp thêm bằng chứng cho cục bộ hóa chức năng. Tổn thương ở thùy chẩm dẫn đến mù lòa cục bộ, với tổn thương ở phần trái của thùy chẩm gây ra vùng mù ở phía trên bên phải của không gian thị giác (Glickstein & Whitteridge, 1987; Holmes & Lister, 1916; Lanska, 2009). Vỏ não thính giác nằm ở thùy thái dương và chịu trách nhiệm về thính giác, trong khi vỏ não cảm giác nằm ở thùy đỉnh và chịu trách nhiệm về cảm nhận xúc giác, áp lực và đau. Thùy trán chịu trách nhiệm phối hợp các giác quan và các chức năng nhận thức cao hơn như suy nghĩ và giải quyết vấn đề. 

Một tác động khác của chấn thương não là không nhận dạng được khuôn mặt (prosopagnosia), thường do tổn thương thùy thái dương dưới (Burton và cộng sự, 1991; Hecaen & Angelergues, 1962; Parkin, 1996). Bệnh nhân không thể nhận ra khuôn mặt, ngay cả của người thân. Để xác nhận chức năng của một vùng cụ thể, cần kiểm tra sự tách rời kép (double dissociation), khi tổn thương một vùng gây mất chức năng A nhưng không ảnh hưởng chức năng B, và ngược lại (McNeal & Warrington, 1993; Moscovitch và cộng sự, 1997). Nghiên cứu này giúp xác nhận rằng các chức năng như nhận dạng khuôn mặt và nhận dạng đối tượng được đảm nhiệm bởi các vùng não khác nhau, hoạt động độc lập với nhau. 

Các nghiên cứu tâm lý học thần kinh này khẳng định rằng các chức năng nhận thức cụ thể được đảm nhiệm bởi các vùng não riêng biệt, và điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cục bộ hóa chức năng trong não bộ.

4.2. Xác định cục bộ hoá thông qua đo lường phản ứng điện – sinh lý từ các nơron

Cục bộ hóa chức năng được chứng minh qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm ghi âm từ các neuron riêng lẻ. Nghiên cứu của Doris Tsao và cộng sự (2006) cho thấy 97% neuron trong một khu vực nhỏ ở phần dưới của thùy thái dương của khỉ đáp ứng với hình ảnh khuôn mặt, nhưng không đáp ứng với các loại đối tượng khác. Khu vực này tương ứng với vùng não ở người liên quan đến không nhận dạng được khuôn mặt (prosopagnosia). Nghiên cứu sử dụng kỹ thuật hình ảnh não cũng hỗ trợ ý tưởng rằng nhận thức về khuôn mặt liên quan đến một vùng cụ thể của não.

 4.3. Cục bộ hoá thể hiện qua hình ảnh não bộ 

Kỹ thuật quét não, như chụp ghi hình cắt lớp positron (PET) vào năm 1976 và chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) vào năm 1990, đã đánh dấu “cuộc cách mạng hình ảnh”. Các kỹ thuật này giúp nghiên cứu cục bộ hóa chức năng não.

fMRI hoạt động dựa trên nguyên lý rằng não cần nhiều oxy khi có hoạt động thần kinh. Oxy gắn với hemoglobin trong máu và khi từ trường được đưa đến gần não, hemoglobin oxy hóa phản ứng mạnh hơn, tạo ra sóng cộng hưởng từ. Hoạt động não được ghi lại bằng điểm ảnh tích (voxel), đơn vị phân tích nhỏ trong não có kích thước 2-3mm.

Trong thí nghiệm fMRI, người tham gia đặt đầu trong máy quét và thực hiện các nhiệm vụ nhận thức như tri giác một hình ảnh. Hoạt động não bộ được phát hiện và ghi lại qua sự thay đổi trong hoạt động não, biểu thị bằng các màu sắc khác nhau. Các quy trình thống kê giúp xác định vùng não liên quan đến nhiệm vụ, tạo ra các dải màu thể hiện hoạt động não.

Nhiều thí nghiệm fMRI chứng minh cục bộ hóa chức năng của não bằng cách xác định khu vực não được kích hoạt khi một người quan sát các đồ vật khác nhau. Kết quả cho thấy sự tăng hoặc giảm hoạt động não liên quan đến các hoạt động nhận thức cụ thể.

4.3.1. Khi xem hình ảnh  

Các nghiên cứu tâm lý học thần kinh và đo lường phản ứng điện-sinh lý của tế bào thần kinh đơn lẻ giúp xác định vùng não tri giác khuôn mặt. Vùng nhận diện mặt hình thoi (FFA) nằm ở hồi hình thoi phía dưới thùy thái dương, được xác định qua việc cho người tham gia quan sát hình ảnh mặt người (Kanwisher và cộng sự, 1997). Vùng này cũng liên quan đến hội chứng không nhận dạng được khuôn mặt (prosopagnosia).

Thí nghiệm chụp cộng hưởng từ (fMRI) cho thấy tri giác các bức ảnh về cảnh trong nhà và ngoài trời kích hoạt vùng không gian tiếp giáp hồi hải mã (PPA), vùng này phản ứng với sự sắp đặt không gian (Aguirre và cộng sự, 1998; Epstein và cộng sự, 1999; Kanwisher, 2003). Vùng nhận diện cơ thể ngoại vỏ thị giác (EBA) được kích hoạt bởi hình ảnh về cơ thể và các bộ phận cơ thể (không gồm mặt) (Downing và cộng sự., 2001).

4.3.2. Khi xem phim 

Alex Huth và cộng sự (2012) thực hiện thí nghiệm chụp cộng hưởng từ (fMRI) bằng cách cho người tham gia xem phim trong 2 giờ. Họ phân tích cách các điểm ảnh tích (voxel) trong não phản ứng với 1.705 vật thể và hành động khác nhau trong phim. Các điểm ảnh tích phản ứng với các kích thích như đường phố, tòa nhà, nội thất và phương tiện.

Kết quả cho thấy các đồ vật và hành động giống nhau có khu vực phản ứng nằm gần nhau trên bề mặt não. Ví dụ, các vùng được dán nhãn “Humans” (Con người) phản ứng với khuôn mặt và biểu cảm khuôn mặt, các vùng được dán nhãn “Talking” (Nói) tương ứng với các vùng Broca và Wernicke. Kết quả củng cố nghiên cứu trước đây về các vùng não chịu trách nhiệm cho các kích thích cụ thể như khuôn mặt, địa điểm và cơ thể, nhưng cũng tiết lộ một bản đồ rộng lớn của vỏ não. Điều này cho thấy cần xem xét não bộ một cách tổng thể để hiểu rõ cơ sở sinh lý của nhận thức

V. Biểu diễn thần kinh phân tán 

Biểu diễn thần kinh phân tán cho thấy các vùng não khác nhau phản ứng với những đặc điểm khác nhau của cùng một đối tượng. Bản đồ não của Huth (Hình 2.20) cho thấy hai vị trí dành cho “Con người,” minh họa rằng các khu vực khác nhau phản ứng với các đặc điểm khác nhau như khuôn mặt và biểu cảm khuôn mặt. Điều này nhấn mạnh rằng trải nghiệm nhận thức mang tính đa chiều, nghĩa là ngay cả những trải nghiệm đơn giản cũng liên quan đến sự kết hợp của nhiều đặc điểm khác nhau.

5.1. Quan sát khuôn mặt

Quan sát khuôn mặt kích hoạt nhiều vùng trong não, phản ứng với các yếu tố như:

• Xác định khuôn mặt: Nhận diện khuôn mặt.
• Yếu tố cảm xúc: Nhận ra cảm xúc trên khuôn mặt.
• Hướng nhìn: Xác định hướng nhìn của người đó.
• Chuyển động: Quan sát sự chuyển động của các bộ phận trên khuôn mặt.
• Hấp dẫn: Đánh giá mức độ hấp dẫn của khuôn mặt.
• Nhận dạng: Xác định khuôn mặt có quen thuộc hay không.

Phản ứng đa chiều này được phản ánh trong các phản ứng thần kinh phân tán khắp vỏ não. Nhận thức, dù là tri giác, ghi nhớ hay suy nghĩ, sẽ kích hoạt nhiều vùng não, đôi khi cách nhau đáng kể, thể hiện nguyên tắc biểu diễn thần kinh phân tán.

 5.2. Ghi nhớ  

Trí nhớ phức tạp và bao gồm nhiều loại:

• Trí nhớ ngắn hạn: Tồn tại khoảng 10-15 giây, trừ khi được lặp lại (Curtis & D’Esposito, 2003; Harrison & Tong, 2009).
• Trí nhớ dài hạn: Bao gồm những sự kiện từ tuần trước hoặc nhiều năm trước.

Có hai loại trí nhớ chính:

• Trí nhớ tình tiết: Nhớ lại các sự kiện trong đời (ví dụ: những gì bạn làm ngày hôm qua).
• Trí nhớ ngữ nghĩa: Nhớ các thông tin thực tế (ví dụ: thủ đô của California là Sacramento).

Nghiên cứu quét não cho thấy trí nhớ tình tiết và trí nhớ ngữ nghĩa kích hoạt các vùng não khác nhau (Levine và cộng sự, 2004). Trí nhớ có thể là về thị giác, thính giác, khứu giác hoặc cảm xúc, và thường là sự kết hợp của nhiều yếu tố, kích hoạt nhiều vùng khác nhau của não. Vì vậy, trí nhớ tạo ra một “bản giao hưởng” của hoạt động thần kinh trên toàn bộ não.

 5.2. Tạo ra và hiểu ngôn ngữ

Ban đầu, Broca và Wernicke xác định hai vùng não liên quan đến việc tạo ra và hiểu ngôn ngữ, đề xuất cục bộ hóa chức năng não. Tuy nhiên, Wernicke cũng gợi ý rằng ngôn ngữ liên quan đến các kết nối giữa các vùng biệt lập và các vùng khác trong não (Ross, 2010). Ý tưởng về tính kết nối của Wernicke bị lãng quên cho đến thế kỷ 20 khi được nhiều người biết đến hơn (Geshwind, 1964; Ross, 2010).

Nghiên cứu hiện đại chỉ ra rằng tổn thương ngoài vùng Broca và Wernicke cũng có thể ảnh hưởng đến ngôn ngữ (Ross, 2010). Chức năng phi ngôn ngữ liên quan đến một phần của vùng Broca, và xử lý ngữ pháp diễn ra trên toàn bộ hệ thống ngôn ngữ, không chỉ ở hai vùng này (Fedorenko và cộng sự, 2012; Blank và cộng sự, 2016).

Hình minh họa các kết nối thần kinh liên quan đến ngôn ngữ, với hai nhóm kết nối: một nhóm xử lý âm thanh và hình thành ngôn ngữ nói (màu xanh lam), và nhóm còn lại liên quan đến hiểu từ ngữ (màu đỏ). Cả hai quá trình này cũng liên quan đến việc hiểu câu (Gierhan, 2013).

Nguồn: Goldstein, E. B. (2018). Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience (5th ed.). Cengage.

Những nghiên cứu này cho thấy ngôn ngữ được phân bổ trên nhiều khu vực và được kết nối bằng mạng lưới thần kinh. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ sở sinh lý của nhận thức liên quan đến mạng lưới thần kinh.

VI. Mạng lưới thần kinh  

Mạng lưới thần kinh là các vùng não được kết nối và giao tiếp với nhau, mở rộng từ ý tưởng xử lý phân tán (Bassett & Sporns, 2017). Các nguyên tắc chính gồm:

1. Con đường cấu trúc phức tạp: Tạo mạng lưới thông tin trong não.
2. Con đường chức năng: Phục vụ các chức năng khác nhau.
3. Hoạt động linh hoạt: Phản ánh bản chất năng động của nhận thức.
4. Trạng thái nghỉ ngơi: Não luôn hoạt động, ngay cả khi không có hoạt động nhận thức.

Các mạng lưới thần kinh được mô tả một cách có cấu trúc, cho thấy sự phức tạp và tính kết nối của các vùng não trong việc hỗ trợ nhận thức.

6.1. Kết nối có cấu trúc   

Kết nối cấu trúc là “sơ đồ nối dây” của não, được tạo bởi các sợi trục thần kinh kết nối các vùng não. Ban đầu, các kết nối này được xác định bằng kỹ thuật giải phẫu thần kinh cổ điển, nhuộm màu các lát mô não. Gần đây, kỹ thuật hình ảnh theo dõi trọng lượng (TWI) đã phát triển, dựa trên việc phát hiện cách nước khuếch tán dọc theo sợi thần kinh, giúp lập bản đồ các kết nối não (Calamante, 2013).

Những kỹ thuật mới này giúp tạo ra các bản đồ kết nối cấu trúc, gọi là kết nối, mô tả cấu trúc của mạng lưới các yếu tố và kết nối trong não (Sporns và cộng sự, 2005). Các bản đồ này được ví như “dấu vân tay” khác nhau ở mỗi người, cho thấy hệ thống liên kết của não tạo nên con người chúng ta (Finn và cộng sự, 2015; Seung, 2012; Yeh và cộng sự, 2016).

Hiểu kết nối cấu trúc là bước quan trọng để biết cách các vùng não giao tiếp, bởi giao tiếp phụ thuộc vào các kết nối cấu trúc. Cần xác định cách các nhóm tế bào thần kinh trong hệ kết nối hình thành các kết nối chức năng liên quan đến nhận thức.

 6.2. Kết nối chức năng 

Kết nối chức năng của não có thể so sánh với mạng lưới đường bộ của một thành phố lớn, nơi các con đường dẫn đến các khu vực khác nhau phục vụ các mục tiêu khác nhau. Các phần khác nhau trong mạng lưới thần kinh của não tham gia vào việc thực hiện các nhiệm vụ nhận thức hoặc vận động khác nhau.

Kết nối chức năng được xác định bằng cách đo mức độ tương quan giữa hoạt động thần kinh ở hai vùng não (Harmelech & Malach, 2013; Pessoa, 2014). Nếu phản ứng của hai vùng não có mối tương quan, điều này cho thấy chúng có mối liên hệ về mặt chức năng.

Một phương pháp để xác định kết nối chức năng là sử dụng fMRI ở trạng thái nghỉ, đo lường phản ứng fMRI khi một người đang nghỉ ngơi (không thực hiện nhiệm vụ nhận thức). Quy trình này được phát triển bởi Bharat Biswal và đồng nghiệp (1995).

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Tính kết nối chức năng ở trạng thái nghỉ

1. Xác định vị trí hạt giống: Sử dụng fMRI liên quan đến nhiệm vụ để xác định vị trí não liên quan đến một nhiệm vụ cụ thể, như chuyển động ngón tay gây ra phản hồi fMRI tại vị trí động cơ (Hình 2.25a).
2. Đo fMRI trạng thái nghỉ tại vị trí hạt giống: Đo phản hồi fMRI tại vị trí hạt giống khi người tham gia đang nghỉ ngơi, gọi là phản hồi chuỗi thời gian (Hình 2.25b).
3. Đo fMRI trạng thái nghỉ tại vị trí kiểm tra: Đo phản hồi fMRI tại một vị trí khác liên quan đến chức năng tương tự, như vị trí kiểm tra cảm giác cơ thể (Hình 2.25c).
4. Tính toán mối tương quan: So sánh phản hồi chuỗi thời gian tại vị trí hạt giống và vị trí kiểm tra. Mối tương quan cao chỉ ra kết nối chức năng mạnh, trong khi mối tương quan thấp chỉ ra kết nối kém hoặc không có chức năng (Hình 2.26).

Quy trình này giúp xác định kết nối chức năng giữa các vùng não thông qua việc đo lường tương quan hoạt động thần kinh khi nghỉ ngơi.

Ngoài việc sử dụng fMRI ở trạng thái nghỉ, kết nối chức năng còn có thể được xác định bằng cách đo fMRI liên quan đến nhiệm vụ tại vị trí hạt giống và vị trí thử nghiệm, sau đó xác định mối tương quan giữa hai phản hồi. Điều này không nhất thiết nghĩa là các vùng não giao tiếp trực tiếp, mà có thể là do nhận đầu vào từ một vùng khác. Kết nối chức năng và kết nối cấu trúc có liên quan nhưng không giống nhau, thường các khu vực có kết nối cấu trúc cao cũng thể hiện kết nối chức năng cao (Poldrack và cộng sự, 2015; van den Heuvel và Pol, 2010).

Nhưng để thực sự hiểu điều gì đang xảy ra trong quá trình nhận thức, chúng ta cần phải đi xa hơn việc chỉ xác định các khu vực phục vụ các chức năng khác nhau. Chúng ta cần xem xét động lực của nhận thức. Để hiểu động lực của nhận thức, cần xem xét sự thay đổi của các luồng thông tin trong não giống như lưu lượng giao thông trong một thành phố lớn. Ví dụ, vào giờ cao điểm buổi sáng, lưu lượng giao thông trên các đường cao tốc hướng vào trung tâm thành phố tăng cao, trong khi vào buổi tối, lưu lượng này lại đảo ngược. Tương tự, các nhóm tế bào thần kinh khác nhau sẽ được kích hoạt vào những thời điểm khác nhau và trong các hoàn cảnh khác nhau, phụ thuộc vào các nhiệm vụ nhận thức cụ thể. Điều này cho thấy cần phải hiểu rõ động lực của các mạng lưới thần kinh để hiểu rõ cách nhận thức hoạt động.

 6.3. Động lực của nhận thức 

Động lực của nhận thức giống như lưu lượng giao thông trong một thành phố lớn, thay đổi theo thời điểm trong ngày và các điều kiện cụ thể. Ví dụ, trong giờ cao điểm buổi sáng, dòng người di chuyển từ ngoại ô vào thành phố, và buổi tối thì ngược lại. Tương tự, luồng hoạt động trong các mạng chức năng của não cũng thay đổi tùy theo điều kiện.

Khi một người nhìn vào tách cà phê, hoạt động trong mạng chức năng thị giác được kích hoạt để nhận biết các đặc tính của cốc. Mạng lưới chú ý được kích hoạt khi người đó tập trung vào cốc, và mạng lưới vận động được kích hoạt khi người đó cầm cốc lên để uống. Như vậy, một trải nghiệm đơn giản như nhìn và cầm tách cà phê liên quan đến việc chuyển đổi thông tin giữa nhiều mạng chức năng khác nhau (van den Heuvel và Pol, 2010).

Các thay đổi kết nối chức năng có thể diễn ra nhanh chóng hoặc chậm hơn. Ví dụ, kết nối chức năng trong mạng bộ nhớ thay đổi từ sáng đến tối khi ký ức được tích lũy và tăng cường. Các thay đổi này cũng có thể phản ứng với việc ăn uống hoặc uống cà phê, với một số mạng lưới được củng cố và một số khác yếu đi (Shannon và cộng sự, 2013; Poldrack và cộng sự, 2015).

Mạng chức năng không phải là các sơ đồ tĩnh mà liên quan đến hoạt động thay đổi liên tục. Một phát hiện đáng ngạc nhiên trong hai thập kỷ qua là mạng chế độ mặc định, hoạt động khi con người không tham gia vào bất kỳ nhiệm vụ cụ thể nào, đã được phát hiện.

 6.4. Mạng lưới chế độ mặc định  

Mạng lưới chế độ mặc định (DMN) là một mạng lưới bao gồm các cấu trúc não, hoạt động khi một người không tham gia vào các nhiệm vụ cụ thể. Gordon Shulman và đồng nghiệp (1997) phát hiện rằng thực hiện một nhiệm vụ làm giảm hoạt động ở một số vùng não, trong khi dừng nhiệm vụ lại làm tăng hoạt động ở cùng vùng đó. Marcus Raichle và đồng nghiệp (2001) đề xuất rằng các vùng này đại diện cho “chế độ mặc định” của chức năng não, hoạt động khi não ở trạng thái nghỉ.

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết nối chức năng ở trạng thái nghỉ đã chỉ ra rằng các khu vực ở thùy trán và thùy đỉnh, giảm hoạt động trong khi thực hiện nhiệm vụ, có mối tương quan với hoạt động ở trạng thái nghỉ (Greicius và cộng sự, 2003). Các khu vực này là một phần của mạng lưới chế độ mặc định .

Mạng lưới chế độ mặc định thường liên quan đến việc tâm trí lang thang, khiến hiệu suất thực hiện các nhiệm vụ đòi hỏi sự tập trung giảm sút (Killingsworth và Gilbert, 2010; Smallwood và Schooler, 2015; Lerner, 2015). Tuy nhiên, mạng lưới chế độ mặc định cũng tham gia vào các quá trình khác như chú ý, ghi nhớ và sáng tạo, cho thấy nó có mục đích quan trọng hơn ngoài việc làm tâm trí lang thang.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Goldstein, E. B. (2018). Cognitive psychology: Connecting mind, research, and everyday experience (5th ed.). Cengage.