Não "phát lại" ký ức khi ngủ là hiện tượng có thật, được ghi nhận rõ nhất ở chuột: các tế bào thần kinh trong hồi hải mã từng hoạt động khi chuột chạy qua mê cung ban ngày sẽ hoạt động lại theo đúng trình tự đó trong giấc ngủ, nhưng nhanh hơn nhiều lần. Phát hiện công bố năm 1994 của Matthew Wilson và Bruce McNaughton mở ra cả một hướng nghiên cứu, và các thí nghiệm sau đó cho thấy nếu chặn những đợt phát lại này, chuột học kém đi.
Bối cảnh: những tế bào biết chuột đang ở đâu
Để hiểu thí nghiệm, cần biết một chi tiết. Từ đầu thập niên 1970, John O'Keefe ở London phát hiện trong hồi hải mã chuột có những tế bào chỉ "bắn" tín hiệu khi con vật đứng ở một chỗ nhất định trong chuồng. Chuột đi từ góc này sang góc kia, các tế bào khác nhau lần lượt bật lên, như những bóng đèn đánh dấu từng vị trí. Phát hiện này góp phần đem lại giải Nobel Y học 2014 cho O'Keefe cùng vợ chồng May-Britt và Edvard Moser.
Điều quan trọng cho câu chuyện giấc ngủ là: nếu biết tế bào nào ứng với chỗ nào, các nhà khoa học có thể "đọc" được chuột đang ở đâu chỉ bằng cách nhìn tế bào nào đang hoạt động. Và họ có thể hỏi một câu thú vị: khi chuột ngủ, những tế bào này làm gì?
Thí nghiệm năm 1994: hồi hải mã nhớ lại đường chạy
Trước đó, năm 1989, Constantine Pavlides và Jonathan Winson đã thấy những tế bào vị trí hoạt động nhiều ban ngày thì cũng hoạt động mạnh hơn trong giấc ngủ sau đó. Nhưng bước ngoặt đến năm 1994.
Matthew Wilson và Bruce McNaughton, khi đó ở Đại học Arizona, cấy điện cực ghi cùng lúc hàng chục tế bào trong hồi hải mã chuột. Quy trình đại ý như sau:
- Ghi hoạt động khi chuột ngủ trước buổi chạy.
- Cho chuột chạy trên một đường chạy hay mê cung để kiếm thức ăn, ghi xem tế bào nào hay cùng hoạt động với nhau (vì hai vị trí gần nhau).
- Ghi hoạt động khi chuột ngủ sau buổi chạy.
Kết quả, công bố trên tạp chí Science: những cặp tế bào hay cùng bật lên khi chạy thì trong giấc ngủ sóng chậm sau đó cũng hay cùng bật lên, nhiều hơn hẳn so với giấc ngủ trước buổi chạy. Như thể hồi hải mã đang lẩm nhẩm lại những gì vừa trải qua.
Phát lại theo đúng trình tự, và tua nhanh
Những năm sau, các nhóm nghiên cứu đi xa hơn: không chỉ từng cặp tế bào mà cả trình tự. Nếu ban ngày tế bào A, B, C, D bật lên lần lượt khi chuột chạy từ đầu tới cuối đường, thì trong giấc ngủ có thấy A, B, C, D theo đúng thứ tự không?
Câu trả lời là có. Năm 2002, Albert Lee và Matthew Wilson báo cáo rằng trong giấc ngủ sóng chậm, các trình tự này được phát lại đúng thứ tự, nhưng nén lại nhanh hơn nhiều lần so với lúc chạy thật — một quãng đường chạy mất vài giây được phát lại trong khoảng một phần mười giây. Các đợt phát lại này thường rơi vào những "gợn sóng sắc" của hồi hải mã, những đợt bùng phát điện cực nhanh.
| Đặc điểm | Lúc chuột chạy thật | Lúc phát lại trong giấc ngủ sâu |
|---|---|---|
| Trình tự tế bào | A → B → C → D | A → B → C → D (đôi khi ngược lại) |
| Tốc độ | Theo tốc độ chạy, vài giây | Nén lại, cỡ một phần mười giây |
| Thời điểm | Khi di chuyển | Trong các gợn sóng sắc của giấc ngủ sóng chậm |
| Mức độ | Đầy đủ | Từng đoạn, không phải mọi đường đã chạy |
Phát lại cũng được thấy cả khi chuột thức nhưng đứng nghỉ, ăn hoặc dừng lại ở ngã rẽ, đôi khi theo chiều ngược. Còn trong giấc ngủ REM, năm 2001 Kenway Louie và Matthew Wilson báo cáo kiểu phát lại chậm hơn, gần với tốc độ thật. Vai trò của phát lại trong REM vẫn ít rõ ràng hơn so với giấc ngủ sâu.
Hồi hải mã "nói chuyện" với vỏ não
Nếu ký ức chỉ được phát lại trong hồi hải mã thì chưa đủ để giải thích nó chuyển vào kho dài hạn. Năm 2007, Daoyun Ji và Matthew Wilson ghi cùng lúc ở hồi hải mã và vỏ não thị giác của chuột, và thấy các trình tự phát lại xuất hiện ở cả hai nơi gần như cùng lúc trong giấc ngủ sâu. Đây là bằng chứng trực tiếp cho một cuộc "đối thoại" giữa hai vùng, đúng như mô hình củng cố hệ thống dự đoán.
Chặn phát lại thì sao: bằng chứng nhân quả
Quan sát thấy phát lại chưa chứng minh phát lại có tác dụng. Có thể nó chỉ là "tiếng vọng" vô hại. Để kiểm, cần chặn nó và xem chuột có học kém đi không.
Năm 2009, nhóm của Gabrielle Girardeau và Michaël Zugaro ở Pháp, và gần như cùng lúc nhóm của Valérie Ego-Stengel và Matthew Wilson, làm việc này. Mỗi khi máy tính phát hiện một gợn sóng sắc trong giấc ngủ sau buổi học, họ cho một xung điện rất ngắn để cắt ngang nó. Những con chuột bị cắt gợn sóng học đường trong mê cung chậm hơn rõ rệt so với chuột đối chứng, dù vẫn ngủ đủ giờ. Ngược lại, có nghiên cứu sau đó cho thấy kéo dài các gợn sóng giúp chuột học tốt hơn.
Đây là một trong những bằng chứng mạnh nhất rằng phát lại không chỉ là tiếng vọng mà là một phần của việc học.
Người cũng phát lại ký ức?
Không thể cắm điện cực vào não người khoẻ mạnh, nên bằng chứng ở người gián tiếp hơn nhưng khá nhất quán:
- Chụp não khi ngủ. Năm 2004, nhóm của Philippe Peigneux ở Bỉ cho người tham gia học đường đi trong một thành phố ảo trên máy tính. Đêm đó, các vùng hồi hải mã từng hoạt động khi học lại hoạt động mạnh hơn trong giấc ngủ sâu, và mức hoạt động này đi cùng với kết quả tìm đường hôm sau.
- Điện cực trong não bệnh nhân động kinh. Một số bệnh nhân phải đặt điện cực trong não để tìm ổ động kinh trước phẫu thuật. Với sự đồng ý của họ, các nhóm nghiên cứu đã ghi được gợn sóng hồi hải mã ở người, và thấy hoạt động liên quan tới những gì vừa học xuất hiện lại khi nghỉ và khi ngủ.
- Giải mã bằng máy học. Vài nghiên cứu dùng thuật toán để nhận ra "dấu vết" của một loại hình ảnh trong tín hiệu não lúc thức, rồi tìm lại dấu vết đó khi ngủ. Kết quả gợi ý có phát lại, nhưng tín hiệu yếu và còn nhiều tranh luận kỹ thuật.
Phát lại có phải là giấc mơ không
Câu hỏi tự nhiên: nếu não chạy lại đường mê cung, chuột có đang "mơ" về mê cung không? Ta không hỏi được chuột. Ở người, phát lại mạnh nhất trong giấc ngủ sâu, trong khi giấc mơ sống động thường gắn với REM. Và như bài về giấc mơ trong danh mục này sẽ nói, rất hiếm giấc mơ lặp lại nguyên một sự việc ban ngày. Vì vậy giới nghiên cứu thận trọng: phát lại là một quá trình điện sinh học, chưa thể đồng nhất với giấc mơ ta kể lại khi thức dậy.
Điều người học mang về được
Nghiên cứu trên chuột không cho ta một mẹo học trực tiếp, nhưng nó giải thích vì sao một vài thói quen có ích:
- Ngủ sau khi học là cho não thời gian phát lại. Thức trắng là bỏ qua bước này.
- Nghỉ ngắn giữa các buổi học cũng có giá trị. Phát lại xảy ra cả khi nghỉ thức. Ngồi yên vài phút sau khi học xong, không lướt điện thoại ngay, có thể tạo cơ hội cho quá trình này. Một số nghiên cứu ở người về "nghỉ yên lặng sau khi học" cho kết quả tích cực, dù chưa thật nhiều.
- Trải nghiệm có ý nghĩa thường được phát lại nhiều hơn. Ở chuột, những đoạn đường dẫn tới thức ăn hay đoạn mới lạ được phát lại nhiều hơn đoạn quen. Với người, gắn bài học với mục tiêu và ý nghĩa rõ ràng có thể có tác dụng tương tự.
Thử ngay: nghỉ yên năm phút
Lần tới học xong một đoạn bài khó, ví dụ cách giải một dạng toán hay 15 từ vựng, hãy ngồi yên năm phút, mắt nhắm hoặc nhìn ra cửa sổ, không điện thoại, không nhạc có lời. Rồi làm tiếp. Lần khác, học xong thì lướt mạng ngay. Hôm sau tự đố lại cả hai phần. Một lần thử không nói lên nhiều, nhưng nó giúp bạn tự quan sát cách não mình làm việc.
Góc nhìn hôm nay
Từ thí nghiệm năm 1994, nghiên cứu phát lại đã trở thành một trong những lĩnh vực sôi động nhất của khoa học thần kinh, liên quan cả tới cách não lập kế hoạch, tưởng tượng đường đi sắp tới, và cả tới thiết kế một số thuật toán học máy học lại từ dữ liệu cũ. Ai muốn đọc thêm có thể tìm các bài tổng quan về "hippocampal replay" và "sharp-wave ripples", hoặc các bài giảng công khai của những phòng thí nghiệm như của Matthew Wilson ở Viện Công nghệ Massachusetts.
Câu hỏi thường gặp
Não có phát lại ký ức khi ngủ không?
Có, ít nhất ở động vật thì đã được ghi nhận trực tiếp. Ở chuột, các tế bào hồi hải mã hoạt động khi chạy mê cung ban ngày sẽ hoạt động lại theo đúng trình tự trong giấc ngủ sâu, nhưng nhanh hơn nhiều lần. Ở người, các nghiên cứu chụp não và điện cực cũng cho thấy dấu hiệu tương tự.
Thí nghiệm chuột chạy mê cung khi ngủ là gì?
Năm 1994, Matthew Wilson và Bruce McNaughton ghi cùng lúc nhiều tế bào trong hồi hải mã chuột trước, trong và sau khi chạy đường mê cung. Họ thấy những tế bào hay cùng hoạt động khi chạy cũng cùng hoạt động trong giấc ngủ sau đó, như thể não đang ôn lại đường chạy.
Phát lại ký ức khi ngủ có giúp học tốt hơn không?
Có bằng chứng nhân quả ở chuột. Năm 2009, khi các nhà khoa học cắt ngang những đợt gợn sóng mang phát lại trong giấc ngủ, chuột học mê cung chậm hơn rõ rệt. Điều này cho thấy phát lại là một phần của quá trình củng cố trí nhớ.
Phát lại ký ức có phải là nằm mơ không?
Chưa thể nói vậy. Phát lại mạnh nhất trong giấc ngủ sâu, còn giấc mơ sống động thường gắn với REM, và rất ít giấc mơ lặp lại nguyên một sự việc ban ngày. Phát lại là một quá trình điện trong não, khác với câu chuyện ta nhớ được khi tỉnh dậy.
