Thí nghiệm đầu tiên trong lịch sử chứng minh bộ não tự phát lại ký ức trong ngày khi bạn ngủ

Đã bao giờ bạn tự hỏi bộ não của mình làm gì mỗi đêm? Không giống như một chiếc bóng đèn, chúng ta không thể tắt hoàn toàn não bộ của mình khi ngủ. Ngay cả khi bạn không mơ thấy bất kỳ một giấc mơ nào, bộ não cũng vẫn đang bận rộn với công việc của nó dù bạn đã yên giấc.

Một loạt các nghiên cứu đã chỉ ra não bộ vẫn cần mẫn điều hành hoạt động miễn dịch, giúp cơ thể bạn phục hồi các tổn thương tế bào, điều chỉnh tâm trạng giúp bạn tạm quên đi những âu lo trong ngày của mình.

Và mới đây nhất, một nghiên cứu đăng trên tạp chí Cell Report còn xác nhận một công việc hết sức cần mẫn của bộ não trong khi ngủ. Lần đầu tiên các nhà khoa học có bằng chứng về việc não bộ tái hiện các ký ức trong ngày bằng cách phát lại chúng để ghi nhớ chúng tốt hơn.

Nói cách khác, khi bạn ngủ, não bộ đang tráng những cuộn phim mà mắt của bạn đã chụp lại khi thức tỉnh. Nó bắn ra các tín hiệu nơron thần kinh hệt như những gì bạn đã làm trong ngày. Các cuốn phim sau đó được xếp gọn gàng vào thư viện ký ức của bạn, nhờ đó, bạn có thể lấy chúng ra một cách dễ dàng khi muốn nhớ lại chúng.

Các nhà khoa học đặt tên cho quá trình mà họ ghi lại được trong não bộ này là "offline replay".

Thí nghiệm chưa từng được thực hiện với vi điện cực cấy vào trong đầu bệnh nhân

Quá trình tái hiện ký ức khi ngủ, hay offline replay, đã được các nhà khoa học ghi nhận trên động vật từ nhiều thập kỷ trước. Nhưng bởi các thí nghiệm này thường không an toàn cho con người, nên đến nay, nghiên cứu trên tạp chí Cell Report mới là lần đầu tiên offline replay được xác nhận một cách trực tiếp trên những tình nguyện viên hết sức đặc biệt – đó là hai người đã được cấy sẵn một vi điện cực vào trong não bộ.

Hai cá nhân tham gia vào thử nghiệm là những bệnh nhân mắc tetraplegia – một chứng liệt tứ chi khiến họ không thể cử động chân và tay của mình. Để giúp những người này giao tiếp được, một dự án nghiên cứu trước đó có tên gọi là Cổng não (BrainGate) đã cấy vào vỏ não vận động của họ một mảng vi điện cực nội sọ (microelectrode).

Các vi điện cực nội sọ này có thể ghi lại tín hiệu bắn ra từ nơron thần kinh của bệnh nhân, từ đó tái tạo chúng thành tín hiệu điện giúp điều khiển con trỏ chuột máy tính hoặc cử động của các cánh tay robot được kết nối với não bộ người bệnh.

Điều này đã khiến hai bệnh nhân tetraplegia trở thành đối tượng nghiên cứu hoàn hảo cho một thí nghiệm offline replay. Các nhà khoa học có thể ghi lại các tín hiệu noron thần kinh của họ trong khi thức giấc, và so sánh với tín hiệu phát ra trong khi họ ngủ thông qua vi điện cực nội sọ.

Ý tưởng đơn giản là nếu chúng trùng nhau, quá trình tái hiện ký ức trong giấc ngủ sẽ được xác nhận.

"Nghiên cứu này chưa từng được thực hiện một lần nào trước đây, bởi cho đến bây giờ chúng ta mới có được cơ hội duy nhất để ghi lại các mô hình hoạt động não từ các mảng điện cực cấy ghép lâu dài vào não bộ bệnh nhân", đồng tác giả của nghiên cứu Beata Jarosiewicz, trước đây cũng đã tham gia dự án BrainGate, nói với Inverse.

Tất cả các thí nghiệm xác nhận quá trình tái hiện ký ức khi ngủ trước đây được thực hiện trên người đều là thông qua các công cụ không xâm lấn như điện não đồ EEG và cộng hưởng từ chức năng fMRI. 

Các công cụ nghiên cứu này không đạt được tới độ phân giải của vi điện cực nội sọ và không thể trực tiếp xác nhận các tín hiệu offline replay.

Khi ngủ, não bộ của bạn sẽ tráng những bộ phim nó chụp được trong ngày

Để thiết kế một thử nghiệm xác nhận được quá trình tái hiện ký ức khi ngủ trong đầu hai bệnh nhân tetraplegia, Jarosiewicz và các đồng nghiệp của cô đã bắt đầu bằng việc yêu cầu họ ngủ trước và sau khi chơi trò chơi ghi nhớ chuỗi màu Simon ra đời từ thập niên 80.

Về cơ bản, Simon sẽ hiển thị một chuỗi 4 màu sắc nhấp nháy liên tục, yêu cầu người chơi phải ghi nhớ các chuỗi nháy này và lặp lại chúng. Bình thường, người chơi sẽ nhấp chuột lên màn hình để gõ lại chuỗi nháy hoặc dùng tay để gõ lại nó trên thiết bị chơi game Simon.

Tuy nhiên, bởi đã bị liệt cả 4 chi, hai bệnh nhân tetraplegia sẽ dùng tâm trí để bắn tín hiệu nơron thần kinh qua vi điện cực, giúp họ điều khiển con trỏ chuột trên màn hình nhấn vào các nút màu sắc tương ứng.

Các tín hiệu được phát qua vi điện cực được Jarosiewicz ghi lại, để so sánh với các tín hiệu cũng phát ra trong 2 giấc ngủ trước và sau khi chơi Simon. Kết quả cho thấy, trong khi giấc ngủ trước trò chơi không thế hiện bất kỳ tín hiệu nào trùng khớp, não bộ của cả hai bệnh nhân tetraplegia đã phát lại đúng các tín hiệu mà họ đã sử dụng để điều khiển trỏ chuột trong giấc ngủ sau đó.

Phát hiện này chỉ ra rằng bộ não của những người này tiếp tục "chơi" trò chơi sau khi họ đã ngủ, phát lại các mẫu tương tự trong não ở độ phân giải đến từng nơron thần kinh. Không còn nghi ngờ gì nữa, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học trực tiếp quan sát được quá trình offline replay xảy ra trong bộ não của con người.

"Mặc dù đó là kết quả mà chúng tôi đang mong đợi, mọi người chắc chắn đều đã rất ngạc nhiên", Jarosiewicz nói. "Để đảm bảo những gì chúng tôi thấy là có thật, chúng tôi đã thực hiện một loạt kiểm tra độ tỉnh táo có kiểm soát, để đảm bảo kết quả không phải là một tạo tác của một thứ tầm thường nào đó".

Bộ não sẽ ghi nhớ và sắp xếp lại các ký ức trong ngày khi bạn ngủ

Giải thích về nguồn gốc của quá trình offline replay xảy ra trong não bộ chúng ra, các nhà nghiên cứu tiếp tục cho biết nó là hoạt động cần thiết để giúp con người và cả các loài động vật hiểu được các sự kiện xảy ra trong ngày và lưu trữ chúng thành những ký ức mới.

Về mặt cơ học, quá trình tái hiện ký ức khi ngủ liên quan đến hai cấu trúc não quan trọng: vùng hồi hải mã và vùng vỏ não. Hồi hải mã là một vùng não nhỏ nằm dưới vỏ não phục vụ các nhiệm vụ liên quan đến trí nhớ. Vùng vỏ não là lớp ngoài cùng của bộ não chịu trách nhiệm xử lý thông tin cảm giác, kiểm soát các chuyển động tự nguyện và đưa ra quyết định.

Hồi hải mã là một vùng não rất linh hoạt, có nghĩa là tín hiệu từ các khớp thần kinh của nó có thể thay đổi rất nhanh chóng. Vùng vỏ não không linh hoạt được như hồi hải mã, khiến nó khó hình thành ký ức mới một cách nhanh chóng.

Nhưng ưu điểm cũng là nhược điểm, các ký ức lưu trữ trong vùng hồi hải mã dễ dàng bị ghi đè và biến mất. Trong khi đó, ký ức khi đã hình thành trong vùng vỏ não sẽ được ghi nhớ sâu hơn và không trùng lặp với bất kỳ ký ức nào khác.

Nếu bộ não hoạt động giống một chiếc máy tính, có thể tưởng tượng vùng hồi hải mã giống với bộ nhớ tạm thời RAM, còn vỏ não là một chiếc ổ cứng.

"Chúng tôi nghĩ rằng vùng hồi hải mã giúp chúng ta lưu trữ những ký ức mới một cách nhanh chóng, nó đã bỏ qua hệ thống vỏ não ghi nhớ chậm của chúng ta, bằng cách chụp một 'ảnh chụp nhanh' (snapshot)", Jarosiewicz nói.

Nó chỉ giống với việc bạn chụp lại màn hình một bài báo hay một bài tập trên bảng trong giờ học. Nhưng đến buổi tối khi về nhà, bạn phải gõ lại hoặc viết xuống những gì bạn đã chụp được. Đó là khi các tín hiệu từ vùng hồi hải mã kích hoạt quá trình offline replay xảy ra trong giấc ngủ, giúp ký ức của bạn được ghi lại cụ thể hơn trong vỏ não.

Quá trình tái hiện ký ức khi ngủ giúp ký ức của bạn trở nên mạnh mẽ hơn. Đó là một minh chứng cho thấy tầm quan trọng không thể phủ nhận của giấc ngủ.

Nghiên cứu này cũng xác nhận hoặc giúp bác bỏ những lời khuyên trước đây thường dành cho những học sinh, sinh viên trước kỳ thi. Một giấc ngủ sau khi ôn bài có khiến bạn quên hết kiến thức đã học hay không?

Câu trả lời là không, thậm chí ngược lại. Bạn nên có một giấc ngủ ngon trước buổi thi hoặc buổi phỏng vấn quan trọng, Jarosiewicz nói. Đừng bao giờ thức xuyên đêm và không dám ngủ trước ngày thi, chỉ vì sợ ngủ sẽ làm bạn quên mất kiến thức vừa ôn. Đó là một suy nghĩ hết sức ngớ ngẩn.

Tham khảo Gizmodo, Inverse