Bộ Não tự thay đổi chính nó

THE BRAIN THAT CHANGES ITSELF

Tác giả: Norman Doidge

Năm xuất bản: 2007

Độ dài: 11 chương. 

Dịch bởi: TLHTP

 

Chương 3.
Thiết kế lại bộ não

Một nhà khoa học thay đổi bộ não để tăng cường nhận thức và trí nhớ, tăng tốc độ suy nghĩ và chữa lành các vấn đề học tập

 

Michael Merzenich là một tác nhân đằng sau hàng loạt sáng kiến ​​về tính dẻo thần kinh và những phát minh thực tiễn, và tôi đang trên đường đến Santa Rosa, California, để gặp ông ấy. Ông ấy là cái tên được ca ngợi thường xuyên nhất bởi các nhà phẫu thuật thần kinh khác, và ông ấy là người khó theo dõi nhất. Chỉ khi tôi phát hiện ra ông ấy sẽ có mặt tại một hội nghị ở Texas, tôi đi đến đó và ngồi xuống bên cạnh ông ấy, cuối cùng tôi đã hẹn được một cuộc gặp ở San Francisco."Hãy dùng địa chỉ e-mail này," ông nói. "Và nếu anh lại không hồi âm thư?" "Hãy kiên nhẫn." Vào phút cuối, ông ấy chuyển cuộc gặp của chúng tôi đến biệt thự của ông ở Santa Rosa. Merzenich là người đáng bỏ công ra tìm kiếm.

Michael Merzenich

Nhà khoa học thần kinh người Ireland Ian Robertson đã mô tả ông là "nhà nghiên cứu hàng đầu thế giới về tính dẻo của não". Chuyên môn của Merzenich là cải thiện khả năng suy nghĩ và nhận thức của mọi người bằng cách thiết kế lại bộ não bằng cách đào tạo các khu vực xử lý cụ thể, được gọi là bản đồ não, để họ làm được nhiều việc trí óc hơn. Ông đã thể hiện một cách chi tiết khoa học cách thức các vùng xử lý của não bộ thay đổi nhiều hơn bất kỳ nhà khoa học nào.

Biệt thự ở vùng đồi Santa Rosa này là nơi Merzenich sống chậm lại và đổi mới bản thân. Không khí này, những cái cây này, những vườn nho này, có vẻ giống như một mảnh đất của người Ả Rập được cấy vào Bắc Mỹ. Tôi qua đêm ở đây với ông và gia đình ông ấy, rồi sáng hôm sau, chúng tôi đi đến phòng thí nghiệm của ông ở San Francisco.

Những người làm việc với ông ta gọi ông là "Merz", để gieo vần với "whirs" và "khuấy động". Khi ông ấy lái chiếc xe mui trần nhỏ của mình đến các cuộc họp —mái tóc màu xám của ông bay bay trong gió, và ông kể với tôi rằng nhiều ký ức sống động nhất trong nửa sau của cuộc đời ông ấy— năm nay ông sáu mươi mốt tuổi— là những cuộc trò chuyện về ý tưởng khoa học. Tôi nghe ông ấy nói về chúng qua điện thoại, bằng giọng nói giòn giã. Khi chúng tôi đi qua một trong những cây cầu vinh quang của San Francisco, ông đã trả một khoản phí mà ông được miễn nộp chỉ vì ông qua mải mê với những ý tưởng mà chúng tôi đang thảo luận. Ông có hàng tá cuộc hợp tác và thí nghiệm đang tiến hành cùng một lúc và thành lập nhiều công ty. Ông mô tả bản thân là "điên khùng." Ông ấy không điên khùng, mà ông ấy là một sự pha trộn thú vị giữa sự dữ dội và thân mật. Ông ấy sinh ra ở Lebanon, Oregon, gốc Đức và nói giọng West Coast, là người dễ tính, sống thực tế. 

Trong số các nhà phẫu thuật thần kinh có giấy phép hành nghề khoa học uy tín, chính Merzenich là người đưa ra những tuyên bố đầy tham vọng nhất cho lĩnh vực này: rằng các bài tập não bộ có thể hữu ích như thuốc để điều trị các bệnh nghiêm trọng như tâm thần phân liệt; tính dẻo dai của não tồn tại từ lúc chúng ta sinh ra cho đến khi xuống mồ; và những cải tiến căn bản trong hoạt động nhận thức - cách chúng ta học tập, suy nghĩ, nhận thức và ghi nhớ-có thể xảy ra ngay cả ở người cao tuổi. Bằng sáng chế mới nhất của ông là dành cho các kỹ thuật hứa hẹn cho phép người lớn học các kỹ năng ngôn ngữ, mà không cần nỗ lực ghi nhớ. Merzenich lập luận rằng việc thực hành một kỹ năng mới, trong những điều kiện phù hợp, có thể thay đổi hàng trăm triệu và có thể là hàng tỷ kết nối giữa các tế bào thần kinh trong bản đồ não của chúng ta. 

Nếu bạn hoài nghi về những tuyên bố ngoạn mục như vậy, thì hãy nhớ rằng chúng đến từ một người đàn ông đã chữa khỏi một số rối loạn từng được cho là khó chữa. Thuở ban đầu của sự nghiệp mà Merzenich phát triển cùng với nhóm của mình, thiết kế được sử dụng phổ biến nhất cho ốc tai điện tử, cho phép trẻ em khiếm thính bẩm sinh nghe được. Nghiên cứu về tính dẻo hiện tại của ông giúp học sinh khuyết tật học tập cải thiện nhận thức và tri giác của chúng. Những kỹ thuật này — loạt chương trình máy tính của ông dựa trên tính dẻo của não bộ, Fast ForWord—đã giúp hàng trăm ngàn người. Fast ForWord được ngụy trang như một trò chơi của trẻ em. Điều bất ngờ về nó là sự thay đổi diễn ra rất nhanh. Trong một số trường hợp, những người gặp khó khăn về nhận thức kéo dài suốt đời đã trở nên tốt hơn chỉ sau ba mươi đến sáu mươi giờ điều trị. Điều bất ngờ là chương trình cũng giúp được cho một số trẻ mắc tự kỷ. Merzenich cho rằng khi việc học diễn ra theo cách phù hợp với các quy luật chi phối tính dẻo của não, thì "bộ máy" tinh thần của não có thể được cải thiện để chúng ta học và nhận thức với độ chính xác, tốc độ và khả năng duy trì tốt hơn. 

Rõ ràng là khi chúng ta học tập, chúng ta tăng cường vốn hiểu biết của mình. Nhưng Merzenich cho rằng chúng ta cũng có thể thay đổi chính cấu trúc của bộ não và tăng cường khả năng học hỏi. Không giống như một chiếc máy tính, bộ não liên tục tự thích nghi.

"Vỏ não," ông ấy nói về lớp mỏng bên ngoài của não, "trên thực tế cải tiến có chọn lọc những khả năng xử lý của nó để phù hợp với từng nhiệm vụ trong tay." Nó không chỉ đơn giản là học; nó luôn luôn "học cách để học." Bộ não mà Merzenich mô tả không phải là một con tàu vô tri vô giác mà chúng ta lấp đầy; đúng hơn, nó giống như một sinh vật sống với sự thèm ăn, một loài có thể phát triển và tự thay đổi bằng cách nuôi dưỡng và tập thể dục đúng cách. Trước công trình nghiên cứu của Merzenich, bộ não được coi là một cỗ máy phức tạp, có những giới hạn không thể thay đổi được về trí nhớ, tốc độ xử lý và trí thông minh. Merzenich đã chỉ ra mỗi giả định này đều sai lầm. Merzenich không định tìm hiểu cách não bộ thay đổi.

Ông chỉ tình cờ nhận ra não bộ có thể tự tổ chức lại các bản đồ não của nó. Và mặc dù ông không phải là nhà khoa học đầu tiên chứng minh tính dẻo dai của thần kinh, nhưng thông qua các thí nghiệm ông làm trong buổi đầu sự nghiệp, các nhà khoa học thần kinh chính thống dần chấp nhận tính dẻo của não bộ. 

Để hiểu làm thế nào bản đồ não có thể được thay đổi, trước tiên chúng ta cần phải có một bức tranh của chúng. Lần đầu tiên chúng được làm sống động ở người bởi bác sĩ phẫu thuật thần kinh, Tiến sĩ Wilder Penfield tại Viện Thần kinh Montreal vào những năm 1930. Theo Penfield, "lập bản đồ" bộ não của một bệnh nhân có nghĩa là tìm thấy những phần khác nhau của cơ thể được thể hiện ở đâu trong não bộ và các hoạt động của chúng được xử lý— một dự án của người theo chủ nghĩa cục bộ. Những người theo chủ nghĩa cục bộ phát hiện ra thùy trán là chỗ của hệ thống vận động của não bộ, khởi đầu và điều phối sự chuyển động của cơ bắp chúng ta. Ba thùy phía sau thùy trán, thùy thái dương, thùy chẩm và thùy đỉnh, bao gồm hệ thống cảm giác của não, xử lý các tín hiệu gửi đến não từ các thụ thể cảm giác của chúng ta - mắt, tai, xúc giác, v.v. 

Wilder Penfield

Penfield đã dành nhiều năm trời để lập bản đồ các bộ phận cảm giác và vận động của não bộ, trong khi thực hiện phẫu thuật não cho các bệnh nhân bị ung thư và động kinh, những người vẫn duy trì được sự tỉnh táo trong suốt thời gian làm phẫu thuật bởi vì trong não của họ không có các thụ thể cảm nhận cơn đau. Cả hai bản đồ cảm giác và vận động đều là một phần của vỏ não, nằm trên bề mặt của não và do đó có thể dễ dàng tiếp cận bằng đầu dò. Penfield khám phá ra khi ông chạm vào bản đồ não cảm giác của bệnh nhân bằng một đầu dò điện, nó kích hoạt các cảm giác mà bệnh nhân cảm nhận được trong cơ thể. Ông đã sử dụng đầu dò điện để giúp ông phân biệt các mô khỏe mạnh mà ông muốn giữ lại khỏi các khối u không lành mạnh hoặc mô bệnh lý mà ông cần phải loại bỏ. 

Thông thường, khi tay của một người được chạm vào, tín hiệu điện truyền đến tủy sống và lên não, nơi nó bật các tế bào trong bản đồ khiến bàn tay có cảm giác được chạm vào. Penfield phát hiện thấy ông cũng có thể khiến bệnh nhân cảm thấy bàn tay của mình bị chạm vào bằng cách bật khu vực bàn tay của bản đồ não bằng điện. Khi ông ta kích thích một phần khác của bản đồ, bệnh nhân có thể cảm thấy cánh tay của mình bị chạm vào; rồi một phần khác, là khuôn mặt của anh. Mỗi lần ông ta kích thích một khu vực, ông ta hỏi bệnh nhân họ cảm thấy gì, để đảm bảo rằng ông không cắt đi những mô khỏe mạnh. Sau nhiều ca phẫu thuật như vậy, ông có thể chỉ ra vị trí trên bản đồ cảm giác của não bộ, nơi tất cả các phần trên bề mặt của cơ thể được thể hiện. 

Ông ta cũng làm như vậy đối với bản đồ vận động, phần não điều khiển vận động. Bằng cách chạm vào các phần khác nhau của bản đồ này, ông ta có thể kích hoạt các cử động ở chân, cánh tay, mặt và các cơ bắp khác của bệnh nhân.

Một trong những khám phá tuyệt vời mà Penfield đã thực hiện là các bản đồ não cảm giác và vận động, giống như bản đồ địa lý, là bản đồ địa hình, có nghĩa là các khu vực liền kề nhau trên bề mặt cơ thể thường liền kề nhau trên bản đồ não. Ông ta cũng phát hiện ra khi ông chạm vào một số phần của bộ não, ông ta đã kích hoạt những ký ức thời thơ ấu đã biến mất từ ​​lâu hoặc những cảnh kỳ diệu như mơ - ngụ ý rằng các hoạt động tinh thần cao hơn cũng được ánh xạ trong não bộ. 

Bản đồ Penfield định hình quan điểm về bộ não kéo dài suốt nhiều thế hệ. Nhưng bởi vì các nhà khoa học tin rằng bộ não không thể thay đổi, nên họ đã giả định và dạy rằng các bản đồ não là cố định, bất biến và phổ quát - giống nhau trong mỗi chúng ta — dù bản thân Penfield chưa bao giờ  đưa ra tuyên bố như vậy.

Merzenich phát hiện ra những bản đồ này không phải là bất biến trong một bộ não hay mang tính phổ quát ai cũng như ai, mà chúng khác nhau về kích thước và ranh giới giữa người này với người khác. Trong một loạt các thí nghiệm xuất sắc, ông đã chỉ ra rằng hình dạng bản đồ não của chúng ta thay đổi tùy thuộc vào những gì chúng ta làm trong suốt cuộc đời. Nhưng để chứng minh điểm này, ông ta cần một công cụ tốt hơn nhiều so với các điện cực của Penfield, một công cụ có thể phát hiện ra những thay đổi ngay tức khắc chỉ trong một vài tế bào thần kinh. 

Khi còn là sinh viên tại Đại học Portland, Merzenich và một người bạn đã sử dụng thiết bị điện tử của phòng thí nghiệm để chứng minh cơn bão của hoạt động điện trong các tế bào thần kinh của côn trùng. Những thí nghiệm này đã thu hút sự chú ý của một giáo sư, người ngưỡng mộ tài năng và óc tò mò của Merzenich và đề nghị anh ta học cao học tại cả Harvard và Johns Hopkins. Cả hai trường đều nhận ông. Merzenich đã chọn Hopkins để theo học chương trình tiến sỹ sinh lý học dưới sự hướng dẫn của một trong những nhà thần kinh học vĩ đại của thời đại, Vernon Mountcastle, người vào những năm 1950 đã chứng minh rằng sự tinh tế của kiến trúc não bộ có thể được khám phá bằng cách nghiên cứu hoạt động điện của các tế bào thần kinh bằng một kỹ thuật mới: lập vi bản đồ (micromapping) với các vi điện cực hình viên pin. 

Các vi điện cực nhỏ và nhạy đến mức chúng có thể được đưa vào bên trong hoặc bên cạnh một tế bào thần kinh đơn lẻ và có thể phát hiện khi một tế bào thần kinh riêng lẻ phát tín hiệu điện của nó sang các nơ-ron khác. Tín hiệu của tế bào thần kinh truyền từ vi điện cực đến một bộ khuếch đại và sau đó đến một màn hình hiện song, nơi nó xuất hiện dưới dạng một mũi nhọn. Merzenich sẽ thực hiện hầu hết các khám phá lớn của mình với các vi điện cực.

Phát minh quan trọng này cho phép các nhà khoa học thần kinh giải mã sự giao tiếp/liên lạc của các tế bào thần kinh, trong đó não người trưởng thành có khoảng 100 tỷ. Sử dụng các điện cực lớn như Penfield đã làm, các nhà khoa học có thể quan sát hàng ngàn tế bào thần kinh bắn (điện) ra cùng một lúc. Với các vi điện cực, các nhà khoa học có thể "lắng nghe" một hoặc một số tế bào thần kinh ngay lập tức khi chúng liên lạc với nhau. Lập Vi bản đồ (Micromapping) vẫn chính xác hơn khoảng một nghìn lần so với thế hệ máy quét não hiện tại, giúp phát hiện các đợt hoạt động kéo dài trong một giây ở hàng ngàn tế bào thần kinh. Nhưng tín hiệu điện của một tế bào thần kinh thường kéo dài trong một phần nghìn giây, vì vậy quét não sẽ bỏ lỡ một lượng thông tin đặc biệt. Nhưng vi bản đồ không thể thay thế được cho quét não vì nó đòi hỏi một loại phẫu thuật cực kỳ tẻ nhạt, được thực hiện dưới kín hiển vi cùng với các dụng cụ vi phẫu thuật.

Merzenich đã sử dụng công nghệ này ngay lập tức. Để lập bản đồ khu vực não xử lý cảm giác từ bàn tay, Merzenich sẽ cắt một mảnh sọ khỉ trên vỏ não giác quan, để lộ một dải não từ 1 đến 2 milimet, sau đó chèn một vi điện cực bên cạnh một tế bào thần kinh cảm giác. Tiếp theo, ông ta sẽ chạm vào bàn tay của con khỉ cho đến khi chạm vào một phần - giả sử là đầu ngón tay - khiến tế bào thần kinh đó bắn một tín hiệu điện vào vi điện cực. Ông ta sẽ ghi lại vị trí của tế bào thần kinh đại diện cho đầu ngón tay, thiết lập điểm đầu tiên trên bản đồ. Sau đó, ông ta sẽ lấy vi điện cực ra, lại đặt nó gần một tế bào thần kinh khác và chạm vào các phần khác nhau của bàn tay, cho đến khi ông ta tìm thấy phần bật lên tế bào thần kinh đó. Ông ta làm việc này cho đến khi lập được bản đồ của toàn bộ bàn tay. Một bản đồ duy nhất có thể cần năm trăm lần chèn và mất vài ngày. Merzenich và các đồng nghiệp của ông đã thực hiện hàng ngàn ca phẫu thuật tốn nhiều công sức này để thực hiện những khám phá của họ. 

David Hubel và Torsten Wiesel

Vào khoảng thời gian này, một khám phá quan trọng khác đã được thực hiện sẽ mãi mãi ảnh hưởng đến công việc của Merzenich. Vào những năm 1960, khi Merzenich bắt đầu sử dụng các vi điện cực trên não, hai nhà khoa học khác, người cũng từng làm việc tại Johns Hopkins với Mountcastle, đã phát hiện ra rằng bộ não ở động vật nhỏ (động vật sơ sinh) thì có tính dẻo. David Hubel và Torsten Wiesel đã lập vi bản đồ vỏ não thị giác để tìm hiểu cách thị giác được xử lý ra sao. Họ đã chèn các vi điện cực vào vỏ não thị giác của mèo con và phát hiện ra rằng các phần khác nhau của vỏ não đã xử lý các đường, định hướng và các chuyển động của các vật thể cảm nhận bằng mắt. Họ cũng phát hiện ra có một "giai đoạn quan trọng", từ tuần thứ ba đến tuần thứ tám của cuộc đời, khi bộ não của mèo con mới sinh phải nhận được sự kích thích thị giác để phát triển bình thường. Trong thí nghiệm quan trọng Hubel và W Diesel đã khâu kín một mí của một con mèo con trong giai đoạn quan trọng của nó, vì vậy mắt không nhận được kích thích thị giác. Khi họ mở mắt nhắm này, họ thấy rằng các khu vực thị giác trong bản đồ não thường xử lý thông tin đầu vào từ mắt nhắm đã không phát triển, khiến mắt đó của mèo con bị mù suốt đời. Rõ ràng bộ não của mèo con trong thời kỳ quan trọng là có tính dẻo, cấu trúc của chúng được định hình theo nghĩa đen bởi kinh nghiệm. 

 

Khi Hubel và Wiesel kiểm tra bản đồ não của con mắt bị mù đó, họ đã có thêm một phát hiện bất ngờ về tính dẻo. Phần não của mèo con không nhận được kích thích từ đôi mắt bị khâu đã không ngủ yên. Nó bắt đầu xử lý thông tin thị giác đến từ con mắt mở bên kia, như thể bộ não không muốn lãng phí bất kỳ “bất động sản vỏ não” nào và đã tìm ra cách để tự xây dựng lại bản thân — một dấu hiệu khác cho thấy bộ não có tính dẻo trong giai đoạn quan trọng. Hubel và Wiesel đã nhận được giải thưởng Nobel nhờ công trình nghiên cứu này. Mặc dù họ đã khám phá ra tính dẻo trong thời thơ ấu, họ vẫn là những người theo chủ nghĩa cục bộ, bảo vệ quan điểm cho rằng bộ não của người trưởng thành is hardwired khi kết thúc giai đoạn thơ ấu để thực hiện các chức năng ở những vị trí cố định. 

Việc khám phá ra giai đoạn quan trọng đã trở thành một trong những khám phá nổi tiếng nhất trong ngành sinh học nửa sau thế kỷ 20. Các nhà khoa học sớm cho thấy các hệ thống não bộ khác cần có kích thích từ môi trường để phát triển. Dường như mỗi hệ thống thần kinh có một giai đoạn quan trọng khác nhau, hay còn gọi là cửa sổ thời gian, mà trong suốt giai đoạn đó nó đặc biệt dẻo dai và nhạy cảm với môi trường, và trong khoảng thời gian đó nó có sự phát triển nhanh chóng. Chẳng hạn như, phát triển ngôn ngữ có một giai đoạn quan trọng bắt đầu từ thời thơ ấu và kết thúc vào giữa năm tám tuổi đến tuổi dậy thì. Sau khi giai đoạn quan trọng này kết thúc, khả năng học ngoại ngữ thứ hai của một người bị hạn chế. Trên thực tế, các ngôn ngữ thứ hai học được sau giai đoạn quan trọng không được xử lý trong cùng một phần não bộ như ngôn ngữ bản địa. 

Quan điểm về các giai đoạn quan trọng cũng hỗ trợ cho quan sát của nhà đạo đức học Konrad Lorenz rằng những con ngỗng con nếu được tiếp xúc với con người trong một khoảng thời gian ngắn, từ mười lăm giờ đến ba ngày sau khi sinh, thì chúng sẽ gắn bó với người đó thay vì với ngỗng mẹ, trong suốt cuộc đời. Để chứng minh cho điều đó, ông đã khiến những con ngỗng con gắn bó với ông và đi theo ông khắp nơi. Ông gọi quá trình này là "dấu ấn." Trên thực tế, phiên bản tâm lý của giai đoạn quan trọng giống với quan điểm của Freud. Ông cho rằng chúng ta trải qua các giai đoạn phát triển là những cửa sổ thời gian ngắn ngủi, trong suốt giai đoạn đó chúng ta phải có được những trải nghiệm nhất định để có tâm lý khỏe mạnh; nhưng giai đoạn đó có tính chất định hình, ông nói, và định hình chúng ta cho đến cuối đời.

Konrad Lorenz

Tính dẻo trong-giai đoạn-quan trọng làm thay đổi thực hành y khoa. Nhờ khám phá của Hubel và Wiesel, những trẻ em bị đục thủy tinh thể bẩm sinh không còn phải chịu cảnh mù lòa nữa. Bây giờ chúng đã được làm phẫu thuật chỉnh sửa khi còn sơ sinh, trong giai đoạn-quan trọng của chúng để bộ não của chúng có thể nhận được ánh sáng cần thiết để hình thành các kết nối quan trọng. Các vi điện cực đã chỉ ra rằng tính dẻo là một thực tế không thể chối cãi của thời thơ ấu. Và họ dường như cũng cho thấy rằng, giống như thời thơ ấu, giai đoạn mềm dẻo của bộ não này là ngắn ngủi. 

Ý niệm lờ mờ đầu tiên của Merzenich về tính dẻo của người trưởng thành chỉ là sự tình cờ. Vào năm 1968, sau khi hoàn thành chương trình tiến sĩ, ông đã đi làm nghiên cứu sinh với bà Clinton Woolsey, một nhà nghiên cứu ở Madison, Wisconsin, và là đồng nghiệp của Penfield. Woolsey yêu cầu Merzenich giám sát hai bác sĩ phẫu thuật thần kinh, đó là Tiến sĩ Ron Paul và Herbert Goodman. Cả ba quyết định quan sát những gì xảy ra trong não khi một trong những dây thần kinh ngoại biên trong tay bị cắt và sau đó bắt đầu tái tạo. 

Điều quan trọng là phải hiểu rằng hệ thần kinh được chia thành hai phần. Phần đầu tiên là hệ thần kinh trung ương (não và tủy sống), là trung tâm chỉ huy và kiểm soát của hệ thống; nó được cho là thiếu tính dẻo. Phần thứ hai là hệ thống thần kinh ngoại biên, đưa các thông điệp từ các thụ thể cảm giác đến tủy sống và não và mang thông điệp từ não và tủy sống đến các cơ và các tuyến. Hệ thần kinh ngoại biên từ lâu đã được biết đến là có tính dẻo dai; nếu bạn cắt một dây thần kinh trong tay, nó có thể "tái sinh" hoặc tự chữa lành. 

Mỗi tế bào thần kinh có ba phần. Các sợi nhánh là các nhánh có thể nhận thông tin đầu vào từ các tế bào thần kinh khác. Những sợi nhánh này dẫn vào cơ thể tế bào, duy trì sự sống của tế bào và chứa DNA của nó. Cuối cùng là sợi trục, một sợi cáp sống có độ dài khác nhau (từ độ dài siêu nhỏ trong não, đến một số sợi có thể chạy xuống chân và dài tới sáu feet). Sợi trục thường được so sánh với các sợi dây điện vì chúng có thể mang theo các xung điện với tốc độ rất cao (từ 2 đến 200 dặm một giờ) đến các sợi nhánh của các tế bào thần kinh lân cận. 

Một tế bào thần kinh có thể nhận được hai loại tín hiệu: những tín hiệu kích thích nó và những tín hiệu ức chế nó. Nếu một tế bào thần kinh nhận đủ tín hiệu kích thích từ các tế bào thần kinh khác, nó sẽ bắn ra tín hiệu của chính nó. Khi nó nhận đủ tín hiệu ức chế, nó sẽ ít bắn tín hiệu đi. Các sợi trục không chạm vào các sợi nhánh lân cận. Chúng được ngăn cách bởi một không gian siêu nhỏ gọi là khớp thần kinh. Khi một tín hiệu điện đến cuối sợi trục, nó sẽ kích hoạt giải phóng một chất truyền tin hóa học, được gọi là chất dẫn truyền thần kinh, vào khớp thần kinh. Hóa chất truyền tin nổi lên trên sợi nhánh của tế bào thần kinh lân cận, kích thích hoặc ức chế nó. 

Khi chúng tôi nói rằng các nơ-ron "tự tái tạo" bản thân chúng, chúng tôi muốn nói rằng sự thay đổi xảy ra ở khớp thần kinh, tăng cường và gia tăng hoặc làm suy yếu và làm giảm, số lượng kết nối giữa các nơ-ron. 

Merzenich, Paul và Goodman muốn kiểm tra một tương tác phổ biến nhưng bí ẩn giữa các hệ thống thần kinh ngoại biên và trung ương. Khi một dây thần kinh ngoại biên lớn (bao gồm nhiều sợi trục) bị cắt, đôi khi trong quá trình tái tạo, "dây bị đứt". Khi các sợi trục gắn sai vào các sợi trục của dây thần kinh, người đó có thể gặp "sự định vị sai", dẫn đến một cái chạm vào ngón trỏ nhưng lại được cảm nhận ở ngón tay cái. Các nhà khoa học cho rằng sự định vị sai này xảy ra do quá trình tái tạo "làm xáo trộn" các dây thần kinh, gửi tín hiệu từ ngón trỏ đến bản đồ não của ngón tay cái. 

Mô hình mà các nhà khoa học có về bộ não và hệ thần kinh đó là mỗi điểm trên bề mặt cơ thể có một dây thần kinh truyền tín hiệu trực tiếp đến một điểm cụ thể trên bản đồ não, tự động được cài đặt ngay từ khi sinh ra. Do đó, một nhánh thần kinh cho ngón tay cái luôn truyền tín hiệu của nó trực tiếp đến vị trí trên bản đồ não về cảm giác cho ngón tay cái. Merzenich và nhóm đã chấp nhận mô hình "điểm-đến-điểm" này của bản đồ não và vô tình ghi lại những gì đã xảy ra trong não trong suốt quá trình xáo trộn các dây thần kinh này. 

Họ lập vi bản đồ tay trong bộ não của nhiều con khỉ vị thành niên, cắt một dây thần kinh ngoại biên vào bàn tay và ngay lập tức khâu hai đầu bị đứt lại gần nhau nhưng không chạm vào nhau, kỳ vọng rằng nhiều sợi trục trong dây thần kinh sẽ cắt ngang/băng qua khi dây thần kinh tự tái tạo chính nó. Sau bảy tháng, họ vẽ lại lại bản đồ bộ não. Merzenich cho rằng họ sẽ nhìn thấy một bản đồ não bộ cực kỳ hỗn loạn, lộn xộn. Vì nếu các dây thần kinh của ngón cái và ngón trỏ giao nhau/bắt chéo nhau, ông kỳ vọng rằng việc chạm vào ngón trỏ sẽ tạo ra hoạt động trong khu vực bản đồ não của ngón tay cái. Nhưng ông chẳng nhìn thấy gì cả. Bản đồ gần như bình thường. 

"Những gì chúng tôi đã thấy," Merzenich nói, "thật đáng kinh ngạc. Tôi không thể hiểu được nó." Nó được sắp xếp theo địa hình như thể bộ não đã xáo trộn các tín hiệu từ các dây thần kinh chéo.

Tuần lễ đột phá này đã thay đổi cuộc sống của Merzenich. Ông nhận ra rằng ông và khoa học thần kinh chính thống, về cơ bản đã hiểu sai về cách bộ não con người hình thành các bản đồ để đại diện cho cơ thể và thế giới. Nếu bản đồ não có thể bình thường hóa cấu trúc của nó để đáp ứng với thông tin đầu vào bất thường, thì quan điểm phổ biến cho rằng chúng ta được sinh ra với một hệ thống được lập trình sẵn để vận hành theo một cách cố định không thể thay đổi được là sai lầm. Não bộ phải có tính dẻo dai.  

Làm thế nào bộ não có thể làm điều đó? Thêm nữa, Merzenich cũng quan sát thấy rằng các bản đồ địa hình mới đang hình thành ở những nơi hơi khác so với trước đây. Quan điểm của chủ nghĩa cục bộ cho rằng mỗi chức năng trí tuệ luôn được xử lý ở cùng một vị trí trong não, nhất định là sai lầm hoặc chưa đầy đủ. Merzenich đã làm gì với nó?

Ông đã quay trở lại thư viện để tìm kiếm bằng chứng mâu thuẫn với chủ nghĩa cục bộ. Ông phát hiện thấy vào năm 1912 Graham Brown và Charles Sherrington chỉ ra việc kích thích một điểm trong vỏ não vận động có thể khiến con vật cong chân trong một khoảng thời gian và duỗi thẳng chân vào lúc khác. Trong thí nghiệm này, đã bị thất lạc trong các tài liệu khoa học, ngụ ý rằng không có mối quan hệ điểm-đến-điểm giữa bản đồ vận động của não bộ và một cử động nào đó. Năm 1923 Karl Lashley, sử dụng thiết bị thô sơ hơn rất nhiều so với các vi điện cực, đã mở vỏ não của một con khỉ, kích thích vào một vị trí cụ thể trên não và quan sát những chuyển động. Sau đó anh khâu sọ não khỉ lại. Sau một thời gian, ông lặp lại thí nghiệm đó, kích thích vào cùng vị trí đó của não khỉ, nhưng phát hiện thấy các chuyển động được tạo ra thường thay đổi. Nhà tâm lý học vĩ đại Edwin G. Boring, nói rằng "Bản đồ não bộ vẽ ngày hôm nay sẽ không còn đúng vào ngày mai.”

Bản đồ não rất năng động và luôn thay đổi. 

Merzenich ngay lập tức nhìn thấy những ý nghĩa mang tính cách mạng của những thí nghiệm đó. Anh ấy đã thảo luận về thí nghiệm Lashley với Vernon Mountcastle, một người theo chủ nghĩa cụ bộ, người mà Merzenich đã nói với tôi, "đã thực sự bị làm phiền bởi thí nghiệm của Lashley. Mountcastle không muốn tin vào tính dẻo. Ông ta muốn mọi thứ ở đúng vị trí của nó, mãi mãi. Và Mountcastle biết rằng thí nghiệm này đại diện cho một thách thức quan trọng trong cách bạn nghĩ về bộ não. 

Mountcastle nghĩ rằng Lashley là một kẻ bốc phét ngông cuồng. "Các nhà thần kinh học sẵn sàng chấp nhận khám phá của Hubel và W Diesel rằng sự dẻo dai tồn tại trong giai đoạn tuổi thơ ấu, vì họ chấp nhận rằng não bộ của trẻ sơ sinh đang ở giai đoạn phát triển. Nhưng họ bác bỏ khám phá của Merzenich rằng tính dẻo dai vẫn tiếp tục ở người trưởng thành.

Merzenich ngả người ra sau với vẻ mặt buồn bã và nhớ lại: "Tôi có tất cả những lý do tại sao tôi muốn tin rằng bộ não không có tính dẻo theo cách này và chúng đã bị ném đi trong một tuần.”

Merzenich giờ phải tìm những người cố vấn của mình trong số những hồn ma của các nhà khoa học đã chết, như Sherrington và Lashley. Ông ấy đã viết một bài báo về thí nghiệm thần kinh bị xáo trộn, và trong phần thảo luận, ông ấy đã lập luận dài nhiều trang rằng bộ não người lớn là nilong/dẻo - mặc dù ông ấy đã không sử dụng từ này.

Nhưng bài thảo luận đó không bao giờ được công bố. Clinton Woolsey, người giám sát của ông, đã viết một chữ X lớn trên đó, nói rằng nó chỉ là phỏng đoán và Merzenich đang đi quá xa dữ liệu. Khi bài báo được xuất bản, không đề cập đến bộ não có tính dẻo, và chỉ nhấn mạnh ở mức tối thiểu để giải thích cho các tổ chức địa hình mới. Merzenich lùi bước trước phe đối lập, ít nhất là trong bản in. Rốt cuộc, anh vẫn là một tiến sỹ làm việc trong phòng thí nghiệm của một người đàn ông khác.

Nhưng ông ta đã tức giận, và tâm trí ông bị xáo động. Ông bắt đầu cho rằng tính dẻo có thể là một thuộc tính cơ bản của bộ não đã tiến hóa để mang lại cho con người một lợi thế cạnh tranh và đó có thể là "một điều tuyệt vời.” 

Năm 1971 Merzenich trở thành giáo sư tại Đại học California ở San Francisco, thuộc khoa tai mũi họng và sinh lý học, chuyên nghiên cứu các bệnh về tai. Bây giờ là ông là ông chủ của chính mình, ông bắt đầu một loạt các thí nghiệm sẽ chứng minh sự tồn tại của tính dẻo là điều chắc chắn. Bởi vì lĩnh vực này vẫn còn gây tranh cãi, ông đã thực hiện các thí nghiệm về tính dẻo của mình trong vỏ bọc của nghiên cứu dễ được chấp nhận hơn. Do đó, ông đã dành phần lớn những năm đầu thập niên 1970 để lập bản đồ vỏ não thính giác của các loài động vật khác nhau và ông đã giúp những người khác phát minh và hoàn thiện công nghệ cấy ốc tai điện tử.

Ốc tai là micro bên trong tai của chúng ta. Nó nằm bên cạnh bộ máy tiền đình xử lý cảm giác về vị trí và đã bị tổn thương ở Cheryl, bệnh nhân của Bach-y-Rita. Khi thế giới bên ngoài tạo ra âm thanh, các tần số khác nhau làm rung các tế bào lông nhỏ khác nhau trong ốc tai. Có ba ngàn tế bào lông như vậy, chuyển đổi âm thanh thành các mẫu tín hiệu điện truyền xuống dây thần kinh thính giác vào vỏ não thính giác. Các micromappers phát hiện ra rằng trong vỏ não thính giác, tần số âm thanh được vẽ bản đồ "phân bố vùng." Đó là, chúng được tổ chức giống như một cây đàn piano: tần số âm thanh thấp hơn ở một đầu, ở đầu kia là những tần số âm thanh cao hơn. 

Cấy ốc tai điện tử không phải là máy trợ thính. Máy trợ thính khuếch đại âm thanh cho những người bị mất thính lực một phần, do ốc tai hoạt động đủ tốt để phát hiện một số âm thanh. Cấy ốc tai dành cho những người bị điếc vì ốc tai bị tổn thương sâu sắc. Bộ cấy thay thế ốc tai, biến âm thanh lời nói thành các xung điện, rồi gửi đến não. Bởi vì Merzenich và các đồng nghiệp của ông không thể hy vọng thiết bị này sánh được với sự phức tạp của một cơ quan tự nhiên với ba nghìn tế bào tóc, nên câu hỏi là, liệu bộ não đã tiến hóa từ việc giải mã các tín hiệu phức tạp đến từ rất nhiều tế bào tóc, đển giải mã các xung điện từ một thiết bị đơn giản hơn rất nhiều? Nếu có thể, điều đó có nghĩa là vỏ não thính giác là có tính dẻo, có khả năng tự sửa đổi để đáp ứng với (thông tin) đầu vào nhân tạo. Bộ cấy bao gồm một máy thu âm thanh, bộ chuyển đổi chuyển âm thanh thành các xung điện và một điện cực được các bác sĩ phẫu thuật đưa vào các dây thần kinh chạy từ tai đến não. 

Vào giữa những năm 1960, một số nhà khoa học đã tỏ ra thù địch với ý tưởng cấy ốc tai điện tử. Một số người nói rằng dự án này là bất khả thi. Những người khác cho rằng họ sẽ khiến bệnh nhân điếc có nguy cơ bị tổn hại thêm. Bất chấp rủi ro, các bệnh nhân đã tình nguyện làm cấy ghép. Lúc đầu một số bệnh nhân chỉ nghe thấy tiếng ồn; những người khác chỉ nghe thấy một vài âm thanh, tiếng rít và âm thanh bắt đầu và dừng lại.

Đóng góp của Merzenich là sử dụng những gì ông đã học được từ việc lập bản đồ vỏ não thính giác để xác định kiểu đầu vào mà bệnh nhân cần từ cấy ghép để có thể giải mã lời nói và nơi cấy điện cực. Ông làm việc với các kỹ sư truyền thông để thiết kế ra một thiết bi có thể truyền lời nói phức tạp trên một số lượng nhỏ các kênh băng thông và vẫn có thể hiểu được. Họ đã phát triển một thiết bị cấy ghép đa kênh có độ chính xác cao cho phép người khiếm thính nghe được và thiết kế đã trở thành nền tảng cho một trong hai thiết bị cấy ốc tai điện tử chính hiện nay.

Tất nhiên, điều mà Merzenich mong muốn nhất là kiểm tra độ dẻo một cách trực tiếp. Cuối cùng, ông quyết định thực hiện một thí nghiệm đơn giản, triệt để, trong đó ông sẽ cắt bỏ tất cả các đầu vào cảm giác vào bản đồ não và xem nó phản ứng như thế nào. Ông đến gặp bạn mình và nhà thần kinh học đồng nghiệp Jon Kaas, thuộc Đại học Vanderbilt ở Nashville, người đã làm việc với những con khỉ trưởng thành. Bàn tay của một con khỉ, giống như con người, có ba dây thần kinh chính: dây thần kinh quay, dây thần kinh trung tuyến và dây thần kinh trụ. Dây thần kinh trung tuyến truyền tải cảm giác chủ yếu từ giữa bàn tay, hai dây thần kinh còn lại từ hai bên bàn tay. Merzenich cắt dây thần kinh trung tuyến ở một trong những con khỉ để xem bản đồ não của dây thần kinh trung tuyến sẽ phản ứng như thế nào khi tất cả đầu vào bị cắt. Anh quay trở lại San Francisco và chờ đợi. 

Hai tháng sau, ông trở lại Nashville. Khi ông vẽ bản đồ cho con khỉ, ông thấy, đúng như dự đoán, phần bản đồ não phục vụ dây thần kinh trung tuyến không có hoạt động nào khi ông chạm vào phần giữa của bàn tay. Nhưng ông bị sốc bởi một thứ khác.

Khi ông vuốt ve mặt ngoài của bàn tay khỉ — những khu vực gửi tín hiệu của chúng qua các dây thần kinh quay và dây thần kinh trụ — bản đồ dây thần trung tuyến sáng lên! Các bản đồ não cho các dây thần kinh quay và dây thần kinh trụ có kích thước gần gấp đôi và xâm chiếm những gì từng là bản đồ dây thần kinh trung tuyến. Và những bản đồ mới này là bản đồ địa hình. Lần này, ông và Kaas, viết ra những phát hiện, gọi những thay đổi này là "ngoạn mục" và sử dụng từ "dẻo" để giải thích sự thay đổi, mặc dù họ đã đặt nó trong dấu ngoặc kép. 

 

Đọc tiếp chương 3.2 ở đây

Đọc chương 1-9 ở đây