Ký ức được "khắc" vào não chủ yếu bằng cách thay đổi sức mạnh của synapse — chỗ tiếp nối nơi một nơ-ron truyền tín hiệu cho nơ-ron khác. Khi hai nơ-ron cùng hoạt động nhiều lần, kết nối giữa chúng mạnh lên; hiện tượng này gọi là tăng cường dài hạn (LTP), được Timothy Bliss và Terje Lømo mô tả năm 1973 ở hồi hải mã. Kết nối mạnh lên ngắn hạn nhờ thay đổi các phân tử có sẵn, còn muốn bền lâu thì tế bào phải tổng hợp protein mới và thậm chí mọc thêm kết nối.
Synapse: nơi hai nơ-ron gần chạm nhau
Bộ não người có khoảng 86 tỷ nơ-ron. Mỗi nơ-ron có thể nối với hàng nghìn nơ-ron khác, tạo ra con số kết nối ước tính tới hàng trăm nghìn tỷ. Chỗ nối đó không phải là hai sợi dây hàn chặt, mà là một khe rất hẹp. Năm 1897, nhà sinh lý học người Anh Charles Sherrington đặt tên cho nó là synapse, từ tiếng Hy Lạp nghĩa là "nắm chặt nhau".
Khi tín hiệu điện chạy tới đầu một nơ-ron, nó giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khe synapse. Các chất này gắn vào thụ thể ở nơ-ron bên kia, làm nơ-ron đó dễ hoặc khó phát tín hiệu hơn. Ở phần lớn synapse liên quan tới học tập, chất dẫn truyền chính là glutamate.
Ý quan trọng: một synapse có thể "to tiếng" hoặc "nhỏ tiếng". Cùng một tín hiệu đến, synapse mạnh truyền đi rõ hơn synapse yếu. Thay đổi độ to nhỏ đó chính là cách não lưu thông tin.
Ý tưởng của Donald Hebb năm 1949
Năm 1949, nhà tâm lý học người Canada Donald Hebb viết trong cuốn "Tổ chức của hành vi" một giả thuyết đơn giản: khi nơ-ron A liên tục góp phần làm nơ-ron B phát tín hiệu, sẽ có một thay đổi nào đó khiến A ngày càng dễ kích hoạt B hơn. Về sau, giới khoa học tóm gọn ý này bằng câu nói vui: "Những nơ-ron cùng phát tín hiệu thì nối chặt với nhau." Câu này không phải nguyên văn của Hebb, nhưng truyền tải đúng tinh thần.
Khi Hebb viết, chưa ai thấy được thay đổi đó trong não thật. Phải hơn hai mươi năm sau, nó mới được đo trực tiếp.
Năm 1973: phát hiện LTP ở Oslo
Giữa thập niên 1960, trong phòng thí nghiệm của Per Andersen ở Oslo (Na Uy), nhà nghiên cứu trẻ Terje Lømo nhận thấy một điều lạ khi kích thích điện một đường dây thần kinh dẫn vào hồi hải mã của thỏ: sau một loạt xung kích thích nhanh, phản ứng của các tế bào nhận tín hiệu tăng lên và giữ mức cao lâu sau đó. Cùng với nhà khoa học người Anh Timothy Bliss, ông thực hiện các thí nghiệm bài bản và công bố kết quả năm 1973.
Họ gọi hiện tượng này là tăng cường dài hạn (long-term potentiation, LTP). Ở một số con thỏ, sự tăng cường kéo dài nhiều giờ, có khi lâu hơn. Đây là ứng viên đầu tiên rất thuyết phục cho cơ chế tế bào của trí nhớ: một thay đổi bền, xảy ra ở hồi hải mã, do hoạt động gây ra — đúng như Hebb dự đoán.
Bên trong LTP: "người gác cổng" NMDA
Từ thập niên 1980, các nhà khoa học tìm ra cơ chế phân tử của LTP ở hồi hải mã. Nhân vật chính là một loại thụ thể glutamate có tên NMDA, hoạt động như một người gác cổng thông minh:
- Lúc bình thường, kênh của thụ thể NMDA bị một ion magie chặn lại, dù glutamate đã gắn vào.
- Chỉ khi nơ-ron nhận đồng thời cũng đang bị kích hoạt mạnh, điện thế thay đổi đủ để đẩy ion magie ra.
- Lúc đó canxi tràn vào tế bào, khởi động một chuỗi phản ứng.
- Kết quả: nơ-ron nhận đưa thêm một loại thụ thể khác (AMPA) lên bề mặt, khiến lần sau cùng lượng glutamate cũng tạo phản ứng mạnh hơn.
Điểm tinh tế là bước 2: thụ thể NMDA chỉ mở khi cả hai nơ-ron cùng hoạt động. Đó chính là "cùng phát tín hiệu thì nối chặt" của Hebb, được hiện thực hoá bằng một phân tử.
Từ vài giờ đến cả đời: LTP sớm và LTP muộn
| Giai đoạn | Kéo dài | Cơ chế chính | Có cần protein mới? |
|---|---|---|---|
| LTP sớm | Khoảng một đến vài giờ | Sửa đổi và di chuyển các phân tử có sẵn, thêm thụ thể AMPA lên màng | Không |
| LTP muộn | Nhiều giờ, nhiều ngày, có thể lâu hơn | Tín hiệu đi vào nhân tế bào, bật gen, tổng hợp protein mới, mở rộng hoặc tạo thêm synapse | Có |
Sự phân chia này tương ứng khá đẹp với trí nhớ ngắn hạn và dài hạn ở cấp độ hành vi. Các thí nghiệm cho thấy chặn tổng hợp protein ngay sau khi học thường không làm mất trí nhớ trong vài giờ đầu, nhưng ngăn nó trở thành trí nhớ lâu dài. Ở cấp hình thái, các nghiên cứu hiển vi cho thấy khi LTP xảy ra, những "gai" nhỏ trên nhánh nơ-ron — nơi tiếp nhận synapse — có thể phình to hoặc mọc thêm.
LTP có thật sự là trí nhớ không?
LTP được tạo ra bằng kích thích điện nhân tạo, nên câu hỏi tự nhiên là: trong đời thật, khi con vật học điều gì đó, có xảy ra LTP không? Các bằng chứng tích luỹ qua nhiều thập kỷ:
- Chặn LTP thì học kém: năm 1986, Richard Morris và cộng sự cho chuột dùng một chất chặn thụ thể NMDA, rồi cho chúng học tìm một bệ đỡ chìm trong bể nước đục. Chuột bị chặn NMDA học vị trí bệ kém hơn hẳn, dù vẫn bơi bình thường.
- Học thì xuất hiện thay đổi giống LTP: năm 2006, nhóm của Mark Bear ghi nhận ở chuột học tránh một khu vực bị sốc nhẹ, các synapse ở hồi hải mã thay đổi theo kiểu giống LTP.
- Đảo ngược thì quên: các nghiên cứu sau đó cho thấy xoá bỏ sự tăng cường tại những synapse liên quan làm mất ký ức tương ứng.
Giới khoa học hiện nay coi LTP và các dạng thay đổi synapse tương tự là cơ chế chính, nhưng không phải duy nhất, của trí nhớ. Có những thay đổi khác cũng góp phần, như độ dễ kích hoạt của chính nơ-ron.
LTD: quên cũng cần cơ chế
Nếu synapse chỉ có thể mạnh lên, sớm muộn mọi kết nối đều sẽ "kịch trần" và não mất khả năng phân biệt. Vì thế bên cạnh LTP còn có giảm cường dài hạn (LTD): kích thích theo kiểu khác — thường là kéo dài với tần số thấp — làm synapse yếu đi. Sự cân bằng giữa LTP và LTD giúp não vừa học được điều mới vừa không quá tải. Quên, ở mức tế bào, không chỉ là hỏng hóc mà còn là một phần của việc học.
Hiểu synapse để học tốt hơn
- Lặp lại có khoảng nghỉ: các thí nghiệm về LTP cho thấy kích thích chia thành nhiều đợt cách nhau tạo thay đổi bền hơn dồn một lượt. Điều này phù hợp với kinh nghiệm học: ôn nhiều buổi cách nhau tốt hơn một buổi dài.
- Kết hợp các kênh cùng lúc: khi hai thông tin xuất hiện cùng nhau, kết nối giữa chúng mạnh lên. Học từ vựng kèm hình ảnh, ví dụ, câu chuyện giúp tạo nhiều "nối chặt" hơn.
- Cho não thời gian: LTP muộn cần tổng hợp protein trong nhiều giờ. Ngủ đủ sau buổi học tạo điều kiện cho quá trình này.
Thử ngay
Hãy học 10 từ tiếng Anh mới theo hai cách. Năm từ đầu, đọc liền mười lần trong một lượt. Năm từ sau, đọc hai lần mỗi lượt, chia năm lượt rải trong ngày (sáng, trưa, chiều, tối, trước khi ngủ). Hai ngày sau, tự kiểm tra cả mười từ. Đa số người sẽ nhớ nhóm sau tốt hơn, dù tổng số lần đọc như nhau — một minh hoạ nhỏ ở cấp hành vi cho nguyên tắc "nhiều đợt cách nhau" mà các nhà khoa học thấy ở synapse.
Góc nhìn hôm nay
Từ giả thuyết của Hebb năm 1949 đến phát hiện của Bliss và Lømo năm 1973 rồi tới hiểu biết chi tiết về thụ thể NMDA, ngành khoa học thần kinh đã đi được một chặng dài để giải thích trí nhớ bằng phân tử. Năm 2016, Bliss, Graham Collingridge và Richard Morris cùng nhận giải Brain Prize vì những đóng góp về LTP. Nghiên cứu về synapse còn mở ra hướng tìm hiểu các bệnh như Alzheimer, trong đó synapse bị mất từ rất sớm. Những ai muốn đọc thêm có thể tìm các giáo trình sinh học thần kinh nhập môn, chương về tính mềm dẻo synapse.
Câu hỏi thường gặp
Synapse là gì?
Synapse là chỗ tiếp nối giữa hai nơ-ron, nơi tín hiệu được truyền qua một khe hẹp bằng chất dẫn truyền thần kinh. Tên gọi do Charles Sherrington đặt năm 1897. Sức mạnh của synapse có thể thay đổi, và đó là cơ sở của trí nhớ.
LTP là gì?
LTP (tăng cường dài hạn) là hiện tượng synapse mạnh lên kéo dài sau khi được kích thích nhiều lần. Timothy Bliss và Terje Lømo công bố phát hiện này năm 1973 ở hồi hải mã thỏ. LTP được coi là cơ chế tế bào chính của học tập và trí nhớ.
Ký ức được lưu trong não như thế nào?
Chủ yếu bằng cách thay đổi sức mạnh của các synapse trong những mạng nơ-ron liên quan. Thay đổi ngắn hạn dựa vào phân tử có sẵn, còn thay đổi bền lâu cần tổng hợp protein mới và có thể tạo thêm kết nối.
Thụ thể NMDA có vai trò gì trong trí nhớ?
Thụ thể NMDA chỉ mở khi cả hai nơ-ron cùng hoạt động, cho canxi vào tế bào và khởi động LTP. Chặn thụ thể này ở chuột làm chúng học vị trí kém hơn hẳn.
Vì sao ôn nhiều lần cách nhau lại nhớ lâu hơn?
Ở cấp tế bào, các thí nghiệm cho thấy kích thích chia thành nhiều đợt cách nhau tạo thay đổi synapse bền hơn dồn một lượt. Ở cấp hành vi, ôn giãn cách cũng là một trong những cách học có bằng chứng mạnh nhất.
