Trong não bộ bạn có những "neuron chuối", sinh ra chỉ để ngửi mùi chuối, và cả "neuron hoa sữa" nữa, liệu bạn có thể "tắt" chúng đi không?

Bạn có ngửi thấy mùi của chuối phảng phất trong tấm ảnh này không? Mùi của bột chiên ngập dầu giòn rụm, mùi của chuối béo dẻo và thơm, cuối cùng là mùi của mùa đông Hà Nội.

Trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature, lần đầu tiên, các nhà khoa học đã tìm thấy một cụm các tế bào thần kinh trong não bộ chịu trách nhiệm nhận diện mùi của chuối, và chỉ mùi của riêng chuối mà thôi.

Các "neuron chuối" này chính là thứ sẽ "la hét lên trong sung sướng" khi chúng ta ngửi thấy mùi, nhìn thấy chuối hoặc thậm chí chỉ nghe thấy từ "chuối" thôi.

Sau đó, chúng sẽ kích hoạt một loạt các tín hiệu thần kinh bắn ra như pháo hoa, gợi lại tất cả các ký ức về chuối từng được lưu giữ trong não bộ của bạn, từ kỷ niệm đi ăn bánh chuối vỉa hè mùa đông năm ngoái, cho tới những quả chuối mà bà cho bạn từ thuở bé.

Đây là nghiên cứu đầu tiên và duy nhất cho đến hiện tại cho thấy cách bộ não con người mã hóa những mùi hương khác nhau trong từng neuron thần kinh. Và độ phân giải của trí nhớ đó - thực sự - khiến các nhà khoa học cũng phải kinh ngạc.

Khứu giác: Một giác quan bị khoa học bỏ quên

Có thể bạn đã biết, chúng ta nhìn thấy được là do ánh sáng phản chiếu hình ảnh vào võng mạc. Chúng ta nghe thấy được là vì âm thanh đập vào màng nhĩ của chúng ta. Nhưng đố bạn biết chúng ta ngửi thấy được nhờ gì?

Mặc dù loài người đã biết đến sự hiện tồn tại của khứu giác trong hàng ngàn năm, nhưng các công trình nghiên cứu khoa học giúp hiểu về cách khứu giác hoạt động thì mới chỉ được thực hiện trong vài thập niên trở lại đây.

Cụ thể là đến tận năm 1991, các nhà khoa học mới xác định được các cơ quan thụ cảm khứu giác bên trong mũi và hệ khứu giác trong não bộ. Đó là lần đầu tiên loài người thực sự biết mùi được cảm nhận như thế nào. 

Hai nhà khoa học Linda Buck và Richard Axel, những người đã phát hiện ra các thụ thể khứu giác và vùng não cảm nhận khứu giác thậm chí đã cùng được trao giải Nobel Y học năm 2004. 

Trong so sánh, con người đã có những hiểu biết tương đối rõ ràng về võng mạc ở thế kỷ 11, và các kiến thức về màng nhĩ trong thế kỷ 16. Vậy để thấy, nghiên cứu khứu giác là một ngành khoa học "non trẻ" đến cỡ nào. Nhưng tại sao lại vậy?

Sandeep Robert Datta, một giáo sư thần kinh học tại Đại học Harvard cho biết việc nghiên cứu khứu giác bị lãng quên là vì bản chất loài người là sinh vật thị giác. Chúng ta sử dụng tới một phần ba não bộ của mình để xử lý các thông tin thị giác. Ngay cả khi chưa biết đến điều đó, con người bằng trực giác cũng biết thị giác là giác quan quan trọng nhất của mình.

Tưởng tượng bạn phải chọn mất đi thị giác, thính giác hay khứu giác của mình? Đa số mọi người sẽ từ bỏ khứu giác. "Chúng ta có xu hướng coi khứu giác chỉ là một giác quan có cũng được mà không có cũng được", giáo sư Datta nói.

Điều đó thể hiện ngay trong ngôn ngữ của chúng ta, khi có rất hiếm từ mô tả khứu giác, trong khi thị giác và thính giác có rất nhiều tính từ cụ thể. Tất cả các tính từ miêu tả mùi hương đều rất mơ hồ. Trong ngành nước hoa, người ta còn phải mượn danh từ để nói về các mùi, ví dụ như mùi khói, mùi hoa hồng, mùi long diên hương…

Đây là một rào cản lớn đối với khoa học, giáo sư Datta nhấn mạnh, con người rất khó truyền đạt nhận thức về khứu giác của mình theo cách mà các nhà nghiên cứu có thể hiểu được. "Ý tôi là, chính xác thì mùi là gì? Nếu tôi ngửi một cốc cà phê buổi sáng, thực ra đó không phải là một mùi cụ thể. Đó là mùi tổng hợp của hơn 800 loại hóa chất dễ bay hơi có trong cà phê", ông nói.

Để thay đổi mùi của một cốc cà phê, bạn phải tinh chỉnh hơn 800 thông số hóa học của nó. Trong khi đó, thay đổi ánh sáng thì chỉ cần điều chỉnh một vài thuộc tính như cường độ, bước sóng, tần số… tương tự với cao độ, âm lượng và biên độ của âm thanh.

Điều này có nghĩa là các nhà khoa học rất khó hiệu chuẩn được các nghiên cứu khứu giác của mình. Tất cả các nguyên nhân đó góp phần làm cho ngành khoa học này vốn bị lãng quên trong suốt hàng thế kỷ qua.

Phải đợi tới tận bây giờ, các nhà nghiên cứu khứu giác mới bắt đầu bước vào thời đại hoàng kim của mình

Đó là một quá trình tích lũy của 2 thập kỷ nghiên cứu, kể từ giải Nobel Y học năm 2004. Bây giờ, các nhà khoa học đã biết đến con đường mà các mùi hương chạy từ mũi lên tới não của chúng ta.

Hãy bắt đầu từ khoảnh khắc bạn ngửi thấy một thứ gì đó, mùi hoa sữa chẳng hạn. Tua ngược lại 0,06 giây. Đó là lúc một hỗn hợp từ 30-40 hợp chất hóa học bay ra từ nhụy hoa, khuếch tán vào không khí và tìm được đến mũi bạn.

Đúng như cái tên của chúng, các hợp chất này được gọi là hợp chất dễ bay hơi (VOC), thường bao gồm Linalool (một chất phổ biến trong nhiều loại hoa, có mùi hương tươi mát, ngọt ngào), Methyl salicylate (Cũng được biết đến với mùi hương dễ chịu) và Indol (Một hợp chất hữu cơ có mùi ngọt, nồng và đặc trưng của hoa sữa).

Một khi phân tử mùi đã đi được vào khoang mũi, chúng sẽ gặp một vùng đặc biệt gọi là biểu mô khứu giác, nằm ở phần trên của khoang mũi. Biểu mô này chứa chất nhầy giữ lại các phân tử mùi, cho phép chúng tiếp xúc với các tế bào cảm nhận mùi mà không bị bay ngược ra ngoài.

Trên bề mặt của tế bào khứu giác (olfactory receptor cells) có các protein thụ thể khứu giác. Mỗi thụ thể được mã hóa để phản ứng với một hoặc một nhóm phân tử mùi cụ thể. Khi các phân tử mùi liên kết với các thụ thể này, chúng tạo ra sự kích thích trong tế bào khứu giác.

Sự liên kết của phân tử mùi với thụ thể khứu giác gây ra một loạt phản ứng hóa học bên trong tế bào, dẫn đến việc tạo ra tín hiệu điện (xung động thần kinh). Mỗi loại mùi khác nhau kích hoạt các thụ thể khứu giác khác nhau hoặc kết hợp của nhiều thụ thể khác nhau.

Tín hiệu điện từ các thụ thể khứu giác di chuyển qua các sợi thần kinh khứu giác và được truyền đến hành khứu giác ((bulbus olfactorius), một cấu trúc nhỏ nằm ngay dưới thùy trán của não. Tại đây, các tín hiệu từ nhiều tế bào khứu giác được tập hợp và xử lý ban đầu.

Từ hành khứu giác, các tín hiệu mùi tiếp tục được truyền đến các vùng khác của não thông qua các con đường thần kinh khứu giác. Các tín hiệu này được gửi đến nhiều vùng não khác nhau, bao gồm: vỏ não khứu giác (olfactory cortex) và hệ limbic.

Ở vỏ não khứu giác, tín hiệu mùi sẽ được não "giải mã" để nhận diện mùi. Quá trình này bao gồm việc so sánh với các mùi mà chúng ta đã biết hoặc lưu trữ trong trí nhớ. Nếu mùi đã được trải nghiệm trước đó, não có thể nhanh chóng nhận ra và gán nhãn cho nó (ví dụ: "hương hoa hồng", "mùi cà phê", "mùi hoa sữa"). Nếu là mùi mới, não có thể liên kết với những cảm giác và phản ứng cụ thể để học mùi này.

Ở hệ limbic, vùng não liên quan đến cảm xúc và trí nhớ, tín hiệu mùi tiếp tục được phân tích để tạo ra các phản hồi dưới dạng cảm giác hoặc hành động. Hệ limbic cho phép chúng ta nhớ lại những kỷ niệm liên quan đến mùi đó, gợi lại các ký ức ký ức mạnh mẽ hoặc kích hoạt cảm xúc gắn liền với mùi. Hoặc đơn giản, nó tạo ra các phản ứng bản năng như bịt mũi, né tránh mùi khó chịu.

Tùy vào kỷ niệm và cảm giác của bạn với mùi hoa sữa, hệ limbic của mỗi người sẽ tạo ra các phản ứng khác nhau. Đó là lý do tại sao một số người thích mùi hoa sữa, còn một số người lại cực kỳ ghét nó.

Phát hiện ra các mùi được phân giải trên từng neuron đơn lẻ

Có thể tóm tắt lại quy trình hoạt động của khứu giác ngắn gọn như sau: Các phân tử dễ bay hơi của nguồn phát (VOC) khuếch tán vào bên trong mũi. Chúng bị niêm mạc mũi bắt lại, tiếp xúc với các thụ thể khứu giác, kích thích các tín hiệu điện chạy về não.

Não bộ sau đó phân tích các tín hiệu điện này ở hành khứu giác, rồi tới vỏ não khứu giác, rồi so sánh tín hiệu điện đó với kho lưu trữ ký ức trong hệ limbic, tạo ra phản ứng cho bạn, hoặc thích, hoặc ghét, hoặc thấy thơm, hoặc thấy khó ngửi…

Thế nhưng, đó đã phải là tất cả câu chuyện hay chưa?

Câu trả lời là: Chưa! Quy trình này mới chỉ phá vỡ lớp vỏ của quả trứng khứu giác bí ẩn bên trong não bộ chúng ta.

Theo một nghiên cứu mới trên tạp chí Nature, các nhà khoa học bây giờ đã tìm thấy một quá trình mã hóa (coding) mùi trên từng neuron riêng lẻ. Nghiên cứu mới lần đầu tiên được thực hiện trên người, khi các nhà khoa học cấy điện cực vào não của 17 tình nguyện viên, là các bệnh nhân đang được theo dõi những cơn động kinh trước khi phẫu thuật não bộ.

Trong 27 phiên theo dõi, họ đã cho các tình nguyện viên này ngửi một loạt các mùi khác nhau, từ dễ chịu đến khó chịu như mùi của dứa, táo, bạc hà, quế, tỏi, thậm chí cả cá ươn... 

Hoạt động thần kinh của 2.416 tế bào đã được ghi nhận trong các phiên đó, cho phép các nhà khoa học xác định chính xác từng neuron nào được kích hoạt để phản ứng với các mùi cụ thể nào.

Họ phát hiện tới 40% các tế bào thần kinh phản ứng với mùi nằm trong hành khứu giác. Trong khi, các tế bào còn lại nằm ở vỏ não khứu giác, hồi hải mã (một phần của hệ limbic chịu trách nhiệm cho trí nhớ) và có thêm cà thùy thái dương.

Trong khi hoạt động của các tế bào thần kinh ở vỏ não khứu giác của các bệnh nhân là giống nhau, cho phép các nhà khoa học chỉ nhìn vào đó có thể dự đoán chính xác nhất mùi hương nào được ngửi thấy, hoạt động của tế bào thần kinh ở vùng hồi hải mã và các tế bào thần kinh ở hạch hạnh nhân, một vùng liên quan đến quá trình xử lý cảm xúc, phản ứng khác nhau tùy thuộc vào việc mùi hương được cảm nhận là dễ chịu hay khó chịu.

Điều này một lần nữa cho thấy kinh nghiệm chủ quan của từng người với từng mùi hương là khác nhau, và sẽ gây ra các phản ứng khác nhau. Nhưng có một điểm chung giữa họ, khi các nhà khoa học điều tra mối liên hệ giữa nhận thức mùi hương với hình ảnh và âm thanh của tình nguyện viên.

Chẳng hạn như khi họ được cho ngửi mùi của chuối, sau đó xem hình ảnh của chuối và thậm chí chỉ nghe từ "chuối" thôi, các nhà nghiên cứu tìm thấy cùng một nhóm các tế bào thần kinh đã được kích hoạt trong cả ba trường hợp.

"Điều này cho thấy nhiệm vụ của vỏ não khứu giác của con người vượt xa nhận thức đơn thuần về mùi hương", đồng tác giả nghiên cứu, Giáo sư Marc Spehr đến từ Viện Sinh học II tại Đại học RWTH Aachen, Đức cho biết.

Đây là nghiên cứu đầu tiên có thể xác định được hoạt động của từng neuron đơn lẻ trong não khi chúng phản ứng với từng mùi khác nhau và nó chỉ được thực hiện với sự đồng ý của các bệnh nhân được cấy điện cực vào não bộ. 

Trong so sánh, các nghiên cứu về khứu giác từ trước tới nay chỉ được thực hiện bên trong máy cộng hưởng từ MRI, khi các nhà nghiên cứu quan sát sự kích hoạt của từng khối não bộ bên ngoài hộp sọ của tình nguyện viên, do đó, không thể cho độ phân giải cao.

Với những phát hiện mới này, nghiên cứu hứa hẹn sẽ mở ra những định hướng ứng dụng đột phá liên quan đến khứu giác con người. Chẳng hạn, khi các nhà khoa học biết một nhóm tế bào thần kinh nhất định chịu trách nhiệm "ngửi" thấy một mùi khó chịu, họ có thể tìm cách "tắt" chúng đi mà không làm ảnh hưởng tới các cảm nhận mùi khác được hay không?

Trong khi nhiều người thích mùi bánh chuối của mùa đông Hà Nội, có thể họ sẽ không muốn ngửi thấy mùi hoa sữa.

Ngoài ra, nghiên cứu này cũng mở ra một cánh cửa cho thấy hình ảnh và thính giác cũng có thể được sử dụng để kích thích cảm giác về mùi. 

Điều này gợi ý một công nghệ hỗ trợ dựa trên thính giác và thị giác có thể giúp những người gặp vấn đề về khứu giác ngửi được, nhất là trong bối cảnh hậu đại dịch COVID-19, khi có khoảng 5% bệnh nhân, tương đương với con số hàng triệu người, đã phải đối mặt với tình trạng mất khứu giác từ 6 tháng trở lên, thậm chí là vĩnh viễn.