Nghiên cứu thực tế ảo về chuột cung cấp manh mối mới về bộ nhớ

Một phương pháp nghiên cứu mới kết hợp thực tế ảo và hình ảnh não đang được sử dụng để tìm hiểu cách bộ não hình thành ký ức ngắn hạn được sử dụng trong quá trình ra quyết định.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Princeton đã nghiên cứu chuột khi chúng thương lượng trong một mê cung ảo. Bằng cách theo dõi hoạt động não của chuột, họ đã phát hiện ra các mô hình hoạt động tuần tự của tế bào thần kinh khi não đang ghi nhớ.

Nghiên cứu trước đây tập trung vào ý tưởng rằng các quần thể tế bào thần kinh bắn ra cùng với các mô hình tương tự với nhau trong suốt thời kỳ trí nhớ.

Các phát hiện làm sáng tỏ những gì xảy ra trong não trong thời gian “trí nhớ hoạt động”, khi tâm trí lưu trữ thông tin trong một khoảng thời gian ngắn trước khi hành động hoặc tích hợp nó với thông tin khác.

Trí nhớ làm việc là thành phần trung tâm của lý luận, hiểu và học. Một số rối loạn não nhất định như tâm thần phân liệt được cho là liên quan đến sự suy giảm trí nhớ làm việc.

“Các nghiên cứu như nghiên cứu này nhằm tìm hiểu các nguyên tắc cơ bản của hoạt động thần kinh trong quá trình ghi nhớ hoạt động trong não bình thường. Tuy nhiên, công trình này trong tương lai có thể hỗ trợ các nhà nghiên cứu hiểu được hoạt động có thể bị thay đổi như thế nào trong các rối loạn não liên quan đến sự suy giảm trí nhớ làm việc, ”nhà nghiên cứu David Tank, Ph.D.

Trong nghiên cứu, các mô hình kích hoạt tế bào thần kinh tuần tự tương ứng với việc con chuột sẽ quay sang trái hay phải khi nó di chuyển trong mê cung để tìm kiếm phần thưởng. Các nhà nghiên cứu Princeton nhận thấy rằng các mô hình khác nhau tương ứng với các quyết định khác nhau của chuột.

Các mô hình kích hoạt tế bào thần kinh tuần tự kéo dài khoảng thời gian khoảng 10 giây mà chuột cần để hình thành bộ nhớ, lưu trữ và đưa ra quyết định quay theo cách nào. Trong thời kỳ này, các tập hợp con tế bào thần kinh khác nhau đã được quan sát thấy sẽ hoạt động theo trình tự.

Các nhà nghiên cứu cho biết những phát hiện này tương phản với nhiều mô hình hiện có về cách bộ não lưu trữ ký ức và đưa ra quyết định.

Sự độc đáo của trình tự rẽ trái và rẽ phải có nghĩa là các thí nghiệm hình ảnh não bộ về cơ bản cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện một hình thức đơn giản là “đọc suy nghĩ”. Bằng cách hình ảnh và kiểm tra hoạt động não sớm khi chuột chạy xuống mê cung, các nhà nghiên cứu có thể xác định chuỗi hoạt động thần kinh đang được tạo ra và có thể dự đoán một cách đáng tin cậy con chuột sẽ quay vài giây trước khi lượt thực sự bắt đầu.

Các chuỗi hoạt động thần kinh được phát hiện trong nghiên cứu mới diễn ra trong một phần của não được gọi là vỏ não sau. Các nghiên cứu trước đây ở khỉ và người chỉ ra rằng vỏ não sau là một phần của não quan trọng đối với việc lập kế hoạch vận động, chú ý không gian và ra quyết định.

Nghiên cứu mới là nghiên cứu đầu tiên phân tích nó trên chuột. “Chúng tôi hy vọng rằng bằng cách sử dụng chuột làm hệ thống mô hình của mình, chúng tôi sẽ có thể sử dụng các phương pháp tiếp cận di truyền mạnh mẽ để hiểu cơ chế của các quá trình nhận thức phức tạp,” đồng tác giả Christopher Harvey, Ph.D.

Một khía cạnh độc đáo của nghiên cứu này là việc sử dụng thực tế ảo để tạo ra một mê cung, thay vì một mê cung vật lý truyền thống. Phương pháp này đã được phát triển trong phòng thí nghiệm Tank trong vài năm qua.

Những con chuột đi bộ và chạy trên bề mặt của một máy chạy bộ hình cầu trong khi đầu của chúng vẫn đứng yên trong không gian, điều này rất lý tưởng để chụp ảnh não. Chế độ xem môi trường ảo do máy tính tạo ra được chiếu lên một màn hình góc rộng xung quanh máy chạy bộ. Chuyển động của quả cầu do chuột đi và quay được phát hiện bằng cảm biến quang học trên đường xích đạo của quả bóng và được sử dụng để thay đổi màn hình hiển thị nhằm mô phỏng chuyển động qua môi trường ảo.

Để hình ảnh bộ não, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng laser hồng ngoại để nhìn sâu bên dưới bề mặt để hình dung một quần thể tế bào thần kinh và ghi lại quá trình bắn của chúng.

Hệ thống thực tế ảo, kết hợp với hệ thống hình ảnh và cảm biến canxi, cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy các nhóm tế bào thần kinh riêng lẻ đang hoạt động trong não bộ đang hoạt động. Tank nói: “Nó giống như chúng tôi đang mở một chiếc máy tính và xem xét bên trong tất cả các tín hiệu để tìm ra cách hoạt động của nó.

Các nhà điều tra thừa nhận rằng các nghiên cứu về quần thể tế bào thần kinh riêng lẻ, được gọi là phép đo độ phân giải tế bào, là một thách thức vì não chứa hàng tỷ tế bào thần kinh đóng gói chặt chẽ với nhau.

Thiết bị đo đạc do phòng thí nghiệm Tank phát triển là một trong số ít thiết bị có thể ghi lại quá trình bắn của các nhóm tế bào thần kinh riêng lẻ trong não khi một đối tượng tỉnh táo. Hầu hết các nghiên cứu về chức năng não ở người liên quan đến việc nghiên cứu hoạt động trên toàn bộ các vùng của não bằng cách sử dụng một công cụ như chụp cộng hưởng từ (MRI) trung bình cùng với hoạt động của hàng nghìn tế bào thần kinh.

Christof Koch, một nhà khoa học thần kinh cho biết: “Dữ liệu tiết lộ khá rõ ràng rằng ít nhất một số dạng trí nhớ ngắn hạn dựa trên một chuỗi các tế bào thần kinh truyền thông tin từ người này sang người kia, một loại 'lữ đoàn thần kinh'," không tham gia vào nghiên cứu.

Nghiên cứu đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Thiên nhiên.

Nguồn: Đại học Princeton