Engram là dấu vết vật chất của một ký ức trong não — nhóm tế bào thần kinh hoạt động khi học, thay đổi bền vững, và hoạt động trở lại khi nhớ. Từ năm 2012, nhóm của Susumu Tonegawa ở Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và nhiều phòng thí nghiệm khác đã đánh dấu được những tế bào này ở chuột, rồi dùng ánh sáng kích hoạt chúng để gọi một ký ức lên, thậm chí tạo ra một ký ức sai. Đây là bằng chứng trực tiếp nhất cho thấy ký ức có "địa chỉ" ở cấp tế bào.
Hơn một trăm năm đi tìm
Năm 1904, nhà sinh học Đức Richard Semon đặt ra chữ "engram" (từ tiếng Hy Lạp, đại ý "khắc vào trong") để gọi thay đổi vật chất mà một trải nghiệm để lại trong cơ thể sống. Ý tưởng của ông ít được chú ý khi ông còn sống, nhưng cái tên thì ở lại.
Giữa thế kỷ 20, Karl Lashley dành nhiều năm cắt các phần vỏ não chuột để tìm engram của một ký ức mê cung mà không tìm thấy vị trí nào. Năm 1949, Donald Hebb đưa ra ý tưởng về "tập hợp tế bào": một ký ức là một nhóm nơ-ron được nối chặt với nhau do cùng hoạt động. Nhưng suốt nhiều thập kỷ, không ai có công cụ để chỉ ra đúng nhóm tế bào đó.
Ba tiêu chuẩn của một engram
Các nhà khoa học hiện nay coi một nhóm tế bào là engram của một ký ức nếu đáp ứng được những điều sau:
| Tiêu chuẩn | Ý nghĩa | Cách kiểm tra |
|---|---|---|
| Hoạt động khi học | Nhóm tế bào được kích hoạt trong lúc trải nghiệm xảy ra | Đánh dấu những tế bào bật một số gen đặc trưng khi hoạt động mạnh |
| Thay đổi bền vững | Sau khi học, tế bào và kết nối của chúng khác đi | Đo sức mạnh synapse, cấu trúc gai nhánh |
| Cần và đủ để nhớ | Tắt chúng thì không nhớ; bật chúng thì ký ức hiện lên | Dùng ánh sáng hoặc thuốc để bật, tắt chính nhóm tế bào đó |
Tiêu chuẩn thứ ba là khó nhất, và chỉ đạt được nhờ một công cụ ra đời vào thế kỷ 21.
Công cụ: quang di truyền
Quang di truyền (optogenetics), phát triển mạnh từ giữa thập niên 2000, cho phép gắn vào nơ-ron một loại protein nhạy sáng lấy từ tảo. Khi chiếu ánh sáng xanh qua một sợi quang nhỏ đặt trong não, những nơ-ron mang protein này sẽ phát tín hiệu — các nơ-ron khác không bị ảnh hưởng.
Điểm khéo léo: các nhà nghiên cứu kết hợp kỹ thuật này với một "công tắc" di truyền, sao cho protein nhạy sáng chỉ được gắn vào những tế bào đang hoạt động mạnh trong một khoảng thời gian được chọn — đúng lúc con vật đang học. Nhờ vậy, họ có thể đánh dấu riêng nhóm tế bào tham gia một ký ức cụ thể.
Năm 2012: bật ánh sáng, nỗi sợ hiện về
Năm 2012, Xu Liu, Steve Ramirez và cộng sự trong phòng thí nghiệm của Susumu Tonegawa công bố trên tạp chí Nature:
- Chuột được đưa vào một chiếc hộp và bị sốc nhẹ ở chân. Chúng học sợ chiếc hộp đó. Những tế bào ở hồi răng (một phần của hồi hải mã) hoạt động trong lúc học được đánh dấu bằng protein nhạy sáng.
- Sau đó, chuột được đặt vào một chiếc hộp hoàn toàn khác, nơi chúng chưa từng bị sốc. Chúng đi lại bình thường.
- Khi các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng kích hoạt nhóm tế bào đã đánh dấu, chuột đứng sững lại — tư thế sợ hãi điển hình — như thể đang ở trong chiếc hộp cũ.
Lần đầu tiên, kích hoạt một nhóm tế bào xác định đủ để gọi lên một ký ức cụ thể. Các nghiên cứu khác cũng cho thấy chiều ngược lại: tắt nhóm tế bào engram thì chuột không nhớ được.
Năm 2013: tạo một ký ức sai
Năm 2013, cũng nhóm này công bố trên tạp chí Science một thí nghiệm còn gây chấn động hơn:
- Chuột khám phá hộp A, một nơi an toàn. Tế bào ghi ký ức hộp A được đánh dấu.
- Hôm sau, chuột ở hộp B. Trong lúc đó, các nhà nghiên cứu chiếu sáng gọi ký ức hộp A và cùng lúc gây sốc nhẹ ở chân.
- Khi đưa trở lại hộp A — nơi chúng chưa từng bị sốc — chuột đứng sững vì sợ.
Con chuột đã "nhớ" một điều chưa từng xảy ra: rằng hộp A nguy hiểm. Một ký ức sai đã được tạo ra bằng cách gắn cảm giác sợ vào một engram có sẵn. Thí nghiệm này không phải trên người và không dùng lời nói, nhưng nó cho thấy cơ chế sinh học của việc ký ức có thể bị ghép sai.
Ký ức "mất" mà chưa mất
Năm 2015, Tomás Ryan và cộng sự trong cùng phòng thí nghiệm cho chuột học sợ rồi tiêm thuốc chặn tổng hợp protein ngay sau đó — cách làm kinh điển gây mất trí nhớ. Đúng như dự đoán, hôm sau chuột không còn tỏ ra sợ khi trở lại nơi cũ. Nhưng khi chiếu sáng trực tiếp vào nhóm tế bào engram, nỗi sợ lại xuất hiện.
Kết quả gợi ý một điều quan trọng: trong một số dạng mất trí nhớ, ký ức có thể vẫn còn trong não, chỉ là không truy xuất được bằng manh mối tự nhiên. Năm 2016, nhóm này cũng báo cáo kết quả tương tự ở chuột mang gen mô phỏng bệnh Alzheimer giai đoạn sớm. Đây là phát hiện trên chuột, còn rất xa mới thành phương pháp chữa bệnh cho người, nhưng nó gợi mở hướng nghĩ mới về quên.
Tế bào nào được "chọn" vào engram
Nếu hàng nghìn tế bào đều có thể tham gia, vì sao chỉ một số được chọn? Các nghiên cứu của Sheena Josselyn, Paul Frankland và cộng sự ở Toronto cho thấy những tế bào dễ bị kích thích hơn vào thời điểm học — ví dụ có nhiều protein CREB hơn — có khả năng cao được đưa vào engram. Khi họ loại bỏ chọn lọc những tế bào này sau khi học, ký ức mất đi.
Một hệ quả thú vị: hai sự kiện xảy ra gần nhau về thời gian có xu hướng dùng chung một phần tế bào engram, vì những tế bào dễ kích thích vẫn còn "nóng" trong vài giờ. Điều này có thể giải thích vì sao những chuyện xảy ra cùng một buổi hay gắn với nhau trong trí nhớ.
Những gì engram chưa trả lời
- Chuột không phải người: ký ức được nghiên cứu chủ yếu là sợ hãi, nơi chốn — đơn giản hơn nhiều so với ký ức tự truyện của con người.
- Engram phân tán: một ký ức có engram ở nhiều vùng — hồi hải mã, hạch hạnh nhân, vỏ não — nối với nhau. Đánh dấu một phần chưa phải toàn bộ.
- Thông tin nằm ở đâu chính xác: trong tế bào, ở sức mạnh synapse, hay ở kiểu kết nối? Giới khoa học vẫn đang tranh luận.
- Đạo đức: nếu một ngày có thể chỉnh engram ở người, sẽ cần những ranh giới rất rõ ràng.
Thử ngay: ký ức cùng buổi gắn với nhau
Nhớ lại một ngày đặc biệt — chẳng hạn ngày thi tốt nghiệp. Ghi ra một chi tiết bạn nhớ rõ nhất. Rồi để ý xem những chi tiết tiếp theo hiện ra là gì: thường là những chuyện xảy ra cùng buổi, cùng nơi, dù chẳng liên quan logic — món ăn sáng hôm đó, bài hát phát trên xe. Điều này phù hợp với ý tưởng các ký ức gần nhau về thời gian có xu hướng nối với nhau, mà nghiên cứu engram trên chuột đang giúp giải thích.
Góc nhìn hôm nay
Năm 2020, Sheena Josselyn và Susumu Tonegawa viết một bài tổng quan trên tạp chí Science, nhìn lại hơn một thế kỷ từ ý tưởng của Semon đến những tế bào engram được đánh dấu bằng ánh sáng. Engram không còn là khái niệm trừu tượng: nó là thứ có thể nhìn, bật, tắt trong não chuột. Với người đọc phổ thông, bài học chính là ký ức có nền tảng vật chất cụ thể — và cũng vì thế, nó có thể bị ghép sai, bị ẩn đi, và có khi được gọi lại bằng đúng manh mối.
Câu hỏi thường gặp
Engram là gì?
Engram là dấu vết vật chất của một ký ức trong não, thường được hiểu là nhóm tế bào thần kinh hoạt động khi học, thay đổi bền vững và hoạt động lại khi nhớ. Chữ này do Richard Semon đặt năm 1904.
Các nhà khoa học tìm ra engram như thế nào?
Họ dùng kỹ thuật di truyền để đánh dấu những tế bào hoạt động khi chuột học, gắn vào đó protein nhạy sáng, rồi chiếu sáng để kích hoạt lại. Năm 2012, nhóm của Susumu Tonegawa cho thấy làm vậy đủ để gọi lên ký ức sợ hãi.
Có thể tạo ký ức giả ở chuột không?
Có. Năm 2013, nhóm Tonegawa kích hoạt ký ức về một chiếc hộp an toàn cùng lúc gây sốc nhẹ, khiến chuột sợ chiếc hộp đó dù chưa từng bị sốc ở đó. Đây là thí nghiệm trên chuột, chưa áp dụng cho người.
Ký ức bị quên có thật sự mất không?
Một số thí nghiệm trên chuột cho thấy ký ức tưởng mất vẫn còn trong tế bào engram và có thể được gọi lại bằng kích thích trực tiếp. Điều này gợi ý một số trường hợp quên là do không truy xuất được, nhưng chưa thể kết luận cho người.
Quang di truyền là gì?
Là kỹ thuật gắn protein nhạy sáng vào những nơ-ron chọn lọc để bật hoặc tắt chúng bằng ánh sáng truyền qua sợi quang. Kỹ thuật này cho phép kiểm tra trực tiếp vai trò của từng nhóm tế bào trong ký ức.
