Khám phá quan trọng về tốc độ xử lý của bộ não

Thông qua một mạng lưới khổng lồ các sợi thần kinh, các tín hiệu điện liên tục truyền qua não. Hoạt động phức tạp này cuối cùng là thứ làm nảy sinh suy nghĩ, cảm xúc và hành vi của chúng ta, nhưng cũng có thể dẫn đến các vấn đề về thần kinh và sức khỏe tâm thần khi sự cố xảy ra.

Kích thích não là một phương pháp điều trị mới đối phó những rối loạn như vậy. Kích thích một vùng não của bạn bằng các xung điện hoặc xung từ sẽ kích hoạt một loạt các tín hiệu thông qua mạng lưới các kết nối thần kinh của bạn.

Tuy nhiên, tại thời điểm này, các nhà khoa học không hoàn toàn chắc chắn làm thế nào mà những dòng tín hiệu này di chuyển để tác động đến toàn bộ hoạt động của bộ não của bạn - một mảnh ghép quan trọng còn thiếu để phát huy tối đa các liệu pháp kích thích não bộ.

Trong báo cáo mới nhất được công bố trên tạp chí Neuron ngày 7.3, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng có thể dự đoán được sự lan truyền của kích thích não bộ.

Theo dõi tín hiệu điện trong não

Nghiên cứu giao tiếp trong bộ não con người là khó khăn. Điều này do các tín hiệu điện di chuyển rất nhanh, ở tốc độ vài phần nghìn giây, giữa phần này và phần khác của não.

Vấn đề càng trở nên phức tạp hơn khi các tín hiệu được truyền thông qua một mạng lưới cực kỳ phức tạp gồm các sợi thần kinh liên kết tất cả các vùng não với nhau. Những vấn đề này khiến các nhà khoa học khó mà quan sát các tín hiệu truyền qua não.

Tuy nhiên, trong những trường hợp rất đặc biệt và được kiểm soát, chúng ta có thể sử dụng các điện cực xâm lấn để theo dõi chính xác quá trình truyền tín hiệu não. Điện cực xâm lấn là dụng cụ được phẫu thuật để đưa vào não của bệnh nhân tình nguyện tham gia.

Điều quan trọng cần nhấn mạnh là loại thủ thuật xâm lấn này chỉ có thể được thực hiện trong những trường hợp rất đặc biệt, khi mục tiêu chính là giúp đỡ bệnh nhân. Trong trường hợp của nghiên cứu này, bệnh nhân là những người bị động kinh nặng. Khi bệnh nhân động kinh không đáp ứng với thuốc, họ có thể lựa chọn sử dụng điện cực để giúp bác sĩ tìm hiểu thêm về những gì có thể xảy ra trong não của họ.

Nghiên cứu này dựa trên một nhóm lớn gồm 550 bệnh nhân động kinh tình nguyện tại hơn 20 bệnh viện trên khắp Bắc Mỹ, châu Á và châu Âu.

Các điện cực kích thích nhẹ nhàng một vùng não bằng xung điện, đồng thời ghi lại hoạt động não của bệnh nhân. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu từ các điện cực được đặt ở các vị trí khác nhau của não để theo dõi sự liên lạc của các xung điện từ vùng này sang vùng khác.

Trong khâu cuối cùng cho nghiên cứu, người ta đã sử dụng quét MRI để tái tạo lại mạng lưới các sợi thần kinh của não người, được gọi là hệ kết nối. Điều này đã cho ra một mô phỏng về hệ thống dây vật lý mà thông qua đó ghi lại các tín hiệu điện được truyền trong não.

Mô hình đường ống nước

Vậy thì các tín hiệu được truyền thông qua hệ thống dây thần kinh phức tạp của bộ kết nối như thế nào?

Một khả năng đơn giản là các tín hiệu truyền qua các đường dẫn trực tiếp nhất trong hệ thống kết nối, tức là một xung điện đi từ vùng này sang vùng khác thông qua con đường ngắn nhất giữa các vùng trung gian giữa chúng.

Một ý tưởng khác là tín hiệu lan truyền thông qua khuếch tán mạng. Để hình dung điều này, hãy quan sát cách nước sẽ chảy xuống mạng lưới đường ống như thế nào.

Mỗi khi nước đến một điểm giao nhau trong mạng lưới, dòng chảy được phân chia theo các đường khác nhau. Hành trình nào nhiều điểm rẽ hơn thì dòng nước sẽ trở nên yếu hơn. Tuy nhiên, nếu một số con đường lại hội tụ với nhau ở hạ lưu, cường độ của dòng chảy sẽ tăng trở lại. Theo cách tương tự này, tất cả các kết nối (đường ống) trong mạng góp phần định hình luồng tín hiệu (nước) chứ không chỉ là những kết nối dọc theo đường dẫn trực tiếp nhất.

Giải đáp thắc mắc kinh điển

Hai loại giao tiếp mạng này - đường dẫn ngắn nhất so với truyền khuếch tán - là hai giả thuyết cạnh tranh để giải thích cách các truyền tín hiệu sau khi kích thích não. Cho đến giờ, các nhà khoa học vẫn không chắc giả thuyết nào phù hợp nhất với những gì xảy ra trong não.

Nghiên cứu kể trên là một trong những thử nghiệm đầu tiên cố gắng giải quyết cuộc tranh luận kinh điển về truyền tín hiệu trong não. Việc đo các điện cực trong não của bệnh nhân đã giải đáp được điều này.

Sau khi phân tích dữ liệu, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng ủng hộ giả thuyết truyền tín hiệu khuếch tán. Điều này có nghĩa là nhiều kết nối thần kinh hơn, so với chỉ những kết nối di chuyển dọc theo những con đường ngắn nhất, định hình cách kích thích não truyền xuống hệ kết nối.

Đây là thông tin quan trọng đối với các nhà khoa học vì nó giúp hiểu cách thức hệ thống dây thần kinh đóng góp vào hoạt động và chức năng của não.

Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng sự tiến bộ trong hiểu biết về giao tiếp não bộ cũng sẽ giúp các nhà khoa học lâm sàng thiết kế các phương pháp điều trị kích thích não tốt hơn cho các vấn đề sức khỏe tâm thần.

Kích thích não có thể giúp “khôi phục” sự giao tiếp bị trục trặc giữa các vùng não. Ví dụ, kích thích không xâm lấn (được thực hiện bên ngoài hộp sọ và không cần phẫu thuật) là một phương pháp điều trị chứng rối loạn trầm cảm chủ yếu hiện có ở Úc.

Trong nghiên cứu tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ điều tra xem liệu những khám phá được báo cáo ở đây có thể được sử dụng để cải thiện hiệu quả của các phương pháp điều trị kích thích não như vậy hay không.

Não là trung tâm điều khiển của hệ thần kinh trung ương, chịu trách nhiệm điều khiển hành vi. Ở hầu hết các loài động vật, não được đặt trên đầu, được bảo vệ bởi hộp sọ, và gần với các giác quan chính như thị giác, thính giác, vị giác, khứu giác, và cơ quan cảm giác về thăng bằng (equilibrioception).

Trong khi tất cả các động vật có xương sống đều có một bộ não, các động vật không xương sống hoặc có một bộ não trung tâm hoặc có một hệ thống các hạch thần kinh riêng rẽ. Một số loại động vật, chẳng hạn như các loài thích ti (cnidarian) và động vật da gai (echinoderm) không có một bộ não trung tâm mà thay vào đó là một hệ thống thần kinh phân tán. Trong khi đó, các loài như bọt biển hoàn toàn không có cả một bộ não hay một hệ thần kinh.

Não là một cơ quan vô cùng phức tạp. Ví dụ, não người có hơn 86 tỉ tế bào thần kinh, mỗi tế bào thần kinh liên kết với khoảng 100 ngàn tế bào thần kinh khác.