Khám phá cơ chế học tập của bộ não

Hình ảnh cho thấy một tế bào thần kinh với một thân cây giống như khoáng vật hình cây (dendrite), mỗi hình dạng tam giác chạm vào dendrite đại diện cho một khớp thần kinh, nơi mà đầu vào từ các tế bào thần kinh khác được gọi là gai đến (hình dạng nguệch ngoạc). Các khớp thần kinh xa hơn trên cây đuôi gai của cơ quan tế bào yêu cầu một tần số gai tăng cao hơn (gai đến gần nhau hơn trong thời gian) và xung điện đến với nhịp điệu thời gian ở các khoảng thời gian chính xác để tạo ra khả năng học tập tối đa.

Bộ não của chúng ta học tập thông qua những thay đổi trong sức mạnh của các khớp thần kinh, là các kết nối giữa các tế bào thần kinh, để phản ứng lại kích thích.

Giờ đây, trong một phát hiện rằng những thách thức sự khôn ngoan thông thường về cơ chế não bộ của học tập, các nhà nghiên cứu thần kinh vật lý làm việc tại Đại học UCLA, Hoa Kỳ đã phát hiện: một "nhịp điệu" tối ưu của bộ não hoặc tần số, có tác dụng làm thay đổi sức mạnh của khớp thần kinh. Và hơn nữa, giống như các trạm trên đồng hồ dò tần số radio, mỗi khớp thần kinh từng được điều chỉnh đến một tần số tối ưu khác nhau cho việc học tập.

Những phát hiện này sẽ cung cấp một lý thuyết thống nhất của các cơ chế làm cơ sở cho khả năng học tập của bộ não, có thể dẫn đến phương pháp điều trị mới để điều trị chứng bệnh khuyết tật học tập.

Kết quả của nghiên cứu này sẽ được đăng tải trên tạp chí Computational Neuroscience.

"Nhiều người đã học tập và bị các chứng bệnh rối loạn bộ nhớ, và vượt ra ngoài nhóm đó, hầu hết chúng ta là không phải là những thiên tài như: Einstein hay Mozart", theo Mayank R. Mehta tác giả hàng đầu của bài báo và là phó giáo sư thuộc các Khoa: thần kinh học, sinh học thần kinh, vật lý và thiên văn học, Đại học UCLA. "Công việc của chúng tôi cho thấy rằng một số vấn đề với việc học và nhớ được gây ra bởi các khớp thần kinh, vốn không được điều chỉnh đến tần số thích hợp".

Một sự thay đổi trong sức mạnh của một khớp thần kinh trong phản ứng với kích thích được biết đến như dẻo khớp thần kinh gây ra thông qua cái gọi là "chuỗi gai", hàng loạt các tín hiệu thần kinh xảy ra với tần số khác nhau và thời gian. Thí nghiệm trước đây chứng minh rằng khi các tế bào thần kinh được kích thích ở một tần số rất cao (ví dụ, 100 gai mỗi giây) sẽ làm tăng cường các khớp thần kinh kết nối, trong khi kích thích ở tần số thấp thì sức mạnh kích thích khớp thần kinh (ví dụ, một trong những cành mỗi giây) bị suy giảm.

Những thí nghiệm này trước đó đã sử dụng hàng trăm gai liên tục trong phạm vi tần số rất cao để tạo ra độ dẻo. Tuy nhiên khi bộ não được kích hoạt trong thực thi hành vi đời thực, tế bào thần kinh chỉ có khoảng 10 gai liên tiếp, không phải vài trăm. Và các nhà nghiên cứu làm như vậy ở một tần số thấp hơn nhiều, thường trong phạm vi 50 gai mỗi giây.

Nói cách khác, Mehta cho biết: "việc gia tăng tần số của gai, đề cập đến tốc độ nhanh như thế nào khi các gai chuyển giao. 10 gai có thể được chuyển giao tại một tần số của 100 gai trong 1 giây hoặc ở tần số của một gai trong một giây".

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã không thể tiến hành các thí nghiệm ở mức độ mô phỏng tự nhiên. Nhưng Mehta và đồng tác giả Arvind Kumar, tiến sĩ thực tập và là cựu đồng nghiệp, làm việc trong phòng thí nghiệm của Mehta, đã có thể có được những phép đo lần đầu tiên sử dụng một mô hình toán học phức tạp mà họ phát triển và hợp thức hóa với các dữ liệu thử nghiệm.

Trái ngược với những giả định trước đây, Mehta và Kumar nhận thấy là nếu nói đến kích thích các khớp thần kinh với các mô hình gai xuất hiện tự nhiên, kích thích các tế bào thần kinh ở các tần số cao nhất không phải là cách tốt nhất để tăng cường sức mạnh khớp thần kinh.

Ví dụ, một khớp thần kinh được kích thích với chỉ 10 đột biến ở một tần số 30 gai mỗi giây, nó gây ra một sự gia tăng sức mạnh lớn hơn nhiều so với kích thích khớp thần kinh với 10 gai ở tần số 100 gai mỗi giây.

"Kỳ vọng, dựa trên nghiên cứu trước đây, nếu bạn điều chỉnh khớp thần kinh ở một tần số cao hơn, hiệu quả cho việc tăng cường khớp thần kinh, hoặc là việc học tập, sẽ là tốt nhất, khi tần số thấp hơn tự nhiên", Mehta cho biết. "Trước sự ngạc nhiên của chúng tôi, chúng tôi nhận thấy rằng vượt quá tần số tối ưu, tăng cường khớp thần kinh thực sự từ chối các tần số cao hơn".

Các kiến ​​thức mà một khớp thần kinh có một tần số ưu tiên cho việc học tập tối đa mà các nhà nghiên cứu so sánh tần số tối ưu dựa trên vị trí của khớp thần kinh trên một tế bào thần kinh. Các tế bào thần kinh có hình dạng như rừng cây, với các hạt nhân cơ sở là cây, các tinh thể nhánh cây giống như các ngành rộng lớn và các khớp thần kinh giống như những chiếc lá trên các chi nhánh.

Khi Mehta và Kumar so khớp thần kinh học tập dựa trên nơi các khớp thần kinh được đặt vào các ngành (nhánh cây) có đuôi gai, những gì họ tìm thấy là quan trọng: tần số tối ưu để lôi kéo học tập của khớp thần kinh, thay đổi tùy thuộc vào nơi các khớp thần kinh nằm. Xa các khớp thần kinh là từ thân tế bào của tế bào thần kinh, cao hơn tần số tối ưu của nó.

Mehta cho biết: "Thật kinh ngạc, khi nói đến học tập, tế bào thần kinh hoạt động như một ăng-ten khổng lồ, với các ngành (nhánh cây) khác nhau của tinh thể nhánh cây điều chỉnh tần số khác nhau cho việc học tập tối đa".

Các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng không phải chỉ mỗi khớp thần kinh có một tần số ưa thích để đạt được học tập tối ưu, mà còn cho hiệu quả học tập tốt nhất, tần số này cần phải được hoàn toàn theo nhịp điệu với thời gian ở các khoảng thời gian chính xác. Ngay cả ở tần số tối ưu, nếu không theo nhịp điệu đã được phát ra thì việc học tập khớp thần kinh là giảm đáng kể. Nghiên cứu của họ cũng cho thấy rằng một khi một khớp thần kinh học tập, cần thay đổi tần số tối ưu của nó. Nói cách khác, nếu tần số tối ưu cho một khớp thần kinh ngây thơ - một trong những khớp thần kinh đã chưa học được bất cứ điều gì nói rằng: 30 gai trong một giây, sau khi học tập, cùng một khớp thần kinh sẽ học tối ưu ở một tần số thấp hơn, nói rằng: chỉ 24 gai mỗi giây Vì vậy, việc học tập chính nó làm thay đổi tần số tối ưu cho một khớp thần kinh.

Việc học tập này do quá trình "lệch hướng" có ý nghĩa quan trọng đối với điều trị các rối loạn liên quan đến triệu chứng quên, chẳng hạn như rối loạn căng thẳng hậu chấn thương tâm lý, các nhà nghiên cứu cho biết.

Mặc dù việc nghiên cứu nhiều hơn nữa là cần thiết, các kết quả hiện tại cho thấy rằng: nhiều loại thuốc có thể được phát triển để lên "dây cót" nhịp điệu não của những người bị rối loạn học tập hoặc bộ nhớ, hoặc rằng: nhiều người trong chúng ta có thể trở thành Einstein hoặc Mozart nếu nhịp điệu não tối ưu đã được giao cho mỗi khớp thần kinh.

Mehta cho biết: "Chúng ta đã biết có những loại thuốc và kích thích điện có thể làm thay đổi nhịp điệu não".

"Những phát hiện của chúng tôi cho thấy chúng ta có thể sử dụng những công cụ này để cung cấp các nhịp điệu não tối ưu để nhắm mục tiêu kết nối để tăng cường khả năng học tập".

Kinh phí cho nghiên cứu này được cung cấp bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Y tế Quốc gia, Quỹ Whitehall, và Quỹ WM Keck. Các tác giả báo cáo không có xung đột lợi ích.