Khoa học nghiên cứu về cái nhìn đầu tiên của trẻ

Dân trí Những nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học đã cho chúng ta thấy cách mà hệ thống xử lý thị giác trong não bộ con người hoạt động như thế nào.


Tiến sỹ Spencer Smith trong phòng nghiên cứu của mình

Tiến sỹ Spencer Smith trong phòng nghiên cứu của mình

Khi một đứa trẻ sơ sinh bắt đầu mở mắt, chúng sẽ không nhìn được tất cả mọi thứ một cách rõ ràng. Bạn - bố mẹ của chúng, chỉ là những hình ảnh sáng - tối mờ nhạt. Mặc dù vậy, trẻ nhanh chóng nhìn thấy mọi thứ rõ rệt hơn. Bé yêu của bạn sẽ nhận ra bạn, và bạn có thể thấy được điều này khi nhìn vào mắt bé. Sau đó, bé bắt đầu phóng tầm mắt ra phía xa, tuy nhiên lúc này sự nhận thức chớp nhoáng vừa xuất hiện đã bị mờ dần. Bé không thể nhận ra được cái gì đang ở ngoài cửa sổ. Đó là một thế giới mờ ảo khác của ánh sáng và rất nhiều hình dạng khác nhau. Nhưng chỉ trong một vài tháng sau, bé có thể nhìn thấy được những cái cây bên ngoài. Toàn bộ thế giới của trẻ đang trở nên rõ ràng và sắc nét hơn.

Các nhà khoa học Y khoa của trường UNC đã phát hiện thêm nhiều manh mối về những gì diễn ra bên trong não bộ của loài động vật có vú sơ sinh khi chúng cố gắng nhìn ra ngoài thế giới. Nghiên cứu thực hiện trên loài chuột được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience, là một phần trong dự án đang tiến hành tại phòng thí nghiệm của tiến sĩ Spencer Smith, Giáo sư phụ tá ngành sinh học tế bào và sinh lý học. Nội dung của nghiên cứu là vẽ bản đồ các chức năng của những vùng não mà đóng vai trò quan trọng đối với thị lực. Chức năng chính xác của những vùng não bộ này có thể rất quan trọng đối với sự phục hồi thị giác.

“Đó là hoạt động sinh học đáng chú ý diễn ra trong suốt quá trình phát triển”, Smith nói. “Ban đầu, chỉ có những chương trình về di truyền học và những quá trình hóa học, cái mà đặt các tế bào vào trong não và giúp vẽ nên “bản phác thảo” của mạch. Sau khi trẻ em được sinh ra, hệ thống mạch này được khắc họa một cách vô cùng tích cực bởi sự trải nghiệm của thị giác: ngắm nhìn xung quanh thế giới giúp não bộ đang phát triển có thể hình thành được hầu hết các mạch xử lý hình ảnh tinh vi mà chúng ta từng biết đến. Thâm chí những siêu máy tính tốt nhất và những thuật toán mới nhất của chúng ta cũng không thể cạnh tranh được với khả năng xử lý thị giác của con người và động vật. Chúng tôi rất muốn biết làm thế nào mà các mạch thần kinh làm được điều đó.”

Nếu các phương pháp chữa trị cho người bị mù một phần hoặc mù hoàn toàn có thể được cải thiện thông qua điều này, ví dụ liệu pháp gen hoặc cấy võng mạc, thì các nhà nghiên cứu sẽ cần hiểu rõ toàn bộ các mạch não thị giác để đảm bảo rằng con người có thể phục hồi chức năng hữu ích của thị giác.

“Hầu hết các hoạt động được thực hiện để khôi phục thị lực đều tập trung vào võng mạc và vỏ não thị giác chính,” Smith phát biểu. “Có rất ít hoạt động nghiên cứu sự phát triển của những vùng có tầm nhìn cao hơn của não, và khả năng phục hồi của chúng từ sự thiếu hụt ban đầu. Tôi muốn hiểu được những vùng có tầm nhìn cao hơn này phát triển như thế nào. Chúng tôi cần biết những cửa sổ thời điểm quan trọng mà thị giác nên được phục hồi, và điều gì xảy ra ngay lúc đó để đảm bảo sự phát triển của các mạch quan trọng.”

Để hiểu được những thách thức mà sự phục hồi thị lực có thể phải đối mặt trong cuộc sống sau này, lấy trường hợp bệnh đục thủy tinh thể cả hai mắt (xảy ra khi cả hai mắt bị mờ dần và tầm nhìn bị hạn chế nghiêm trọng). Ở những nước phát triển, việc phẫu thuật loại bỏ các đục thủy tinh thể từ rất sớm khá phổ biến. Nếu làm vậy, thị lực vẫn có thể phát triển một cách bình thường.

“Tuy nhiên ở những nước kém phát triển hơn, đặc biệt là những vùng nông thôn, con người thường không đến phòng khám bao giờ khi họ mới lớn hoặc trưởng thành hơn chút,” Smith nói. “Họ trải nghiệm cuộc sống, nhìn ánh sáng, bóng tối và thậm chí cả những thứ mờ ảo, vậy đó. Khi bị đục thủy tinh thể, họ có thể phục hồi rất nhiều chức năng thị giác, nhưng không phải tất cả. Họ có thể học đọc và nhận ra được bạn của mình. Nhưng họ sẽ gặp khó khăn rất lớn trong việc nhận thức được một vài loại chuyển động thị giác.” Đó là loại nhận thức thị giác cần thiết giúp phối hợp tay và mắt, hoặc đơn giản là định hướng được sự chuyển động của thế giới xung quanh.

Có 2 hệ thống cơ bản để xử lý thông tin của mạch thị giác, được gọi là ventral stream (hệ thống quyết định bạn sẽ nhìn thấy cái gì) và dorsal stream (hệ thống xác định vị trí đối tượng mà bạn nhìn thấy), trong đó cái thứ 2 rất quan trọng đối với sự nhận thức về các chuyển động đang diễn ra.

Smith muốn biết liệu các trải nghiệm thị giác có đặc biệt cần thiết cho sự phát triển đúng đắn của dorsal stream hay không. Và ông còn muốn hiểu rõ điều gì có thể được thay đổi ở cấp độ tế bào thần kinh riêng biệt trong suốt sự phát triển ban đầu này.

Để trả lời những câu hỏi trên, Smith và những đồng nghiệp của ông ở UNC đã tiến hành hàng trăm những thí nghiệm hao tốn thời gian và đòi hỏi sự kiên nhẫn. Theo lý thuyết, phòng thí nghiệm của Smith là mạch não kỹ thuật đảo ngược (là một quá trình nơi một sản phẩm thiết kế được mổ xẻ theo cách mà ta có thể lấy được các chi tiết bên trong của nó-PV) phức tạp với sự hỗ trợ của các hệ thống hình ảnh 2 hạt photon chuyên sâu mà Smith và nhóm của ông đã thiết kế và xây dựng tại Trung tâm Khoa học Nghiên cứu thần kinh UNC, tổ chức mà ông là một thành viên trong đó.

“Nếu bạn muốn đảo ngược kỹ thuật của một chiếc radio để xem nó hoạt động như thế nào, cách tốt nhất để bắt đầu đó là nhìn ai đó lắp một chiếc radio khác,” Smith nói. “Thật tuyệt vời, đây chính là cách mà chúng tôi đang làm. Chúng tôi đang sử dụng những hệ thống hình ảnh của mình để nghiên cứu xem sinh học đã xây dựng mạch xử lý thị giác của nó như thế nào.”

Trong một loạt các thí nghiệm, nhóm của Smith đã nuôi chuột ở một nơi hoàn toàn tối tăm trong vài tuần. Thậm chí, sự chăm sóc hàng ngày cho lũ chuột cũng được thực hiện trong bóng tối với sự trợ giúp của kính nhìn ban đêm. Bằng hệ thống hình ảnh của mình và những phương pháp phẫu thuật chuẩn xác, Smith và những đồng nghiệp của ông có thể nhìn thấy những vùng riêng biệt trong não với độ phân giải cấp độ tế bào thần kinh. Họ thấy rằng ventral stream trong não chuột quả thực đã xuất hiện ngay lập tức, đồng thời các tế bào thần kinh riêng biệt rung lên khi lũ chuột phản ứng với các kích thích thị giác. Nhưng dorsal stream thì không như vậy.

“Việc nhốt lũ chuột trong bóng tối đã làm suy giảm đáng kể mức độ của các phản ứng thị giác trong dorsal stream – sự phản ứng đối với những gì chúng nhìn thấy,” Smith nói. Các tế bào thần kinh trong vùng sau não không rung lên mạnh mẽ so với những tế bào nằm trong não của những con chuột được lớn lên với trải nghiệm thị giác bình thường. “Điều thú vị đó là, thậm chí sau một giai đoạn phục hồi trong điều kiện được tiếp xúc với vòng tròn sáng - tối một cách bình thường, sự suy giảm về thị giác ở dorsal stream vẫn tiếp diễn.”

Đây là lời nhắc nhở về vấn đề suy giảm thị giác dai dẳng ở những người bị đục thủy tinh thể cả 2 mắt nhưng không chữa trị cho đến tận về sau.

“Loài chuột cần những trải nghiệm thị giác không chỉ để phát triển dorsal stream trong hệ thống xử lý hình ảnh của chúng, mà còn cần trong thời gian phát triển ban đầu để lọc các mạch não,” Smith nói. “Nếu không, thị lực của chúng không thể phát triển một cách chính xác được.”

Những thí nghiệm này có thể giúp giải thích điều gì đang xảy ra tương tự với ventral stream và dorsal stream của con người khi chúng ta là những đứa trẻ, khi thị giác chúng ta vẫn còn phát triển chậm và chúng ta phải cố gắng để cảm nhận thế giới di chuyển xung quanh mình trong vài tháng đầu từ khi ra đời.

Smith bổ sung, “Bây giờ chúng ta mới chỉ hiểu chút ít – làm thế nào mà 2 hệ thống xử lý thị giác này phát triển – Tôi thực sự muốn đi sâu vào những tính toán thực tế mà những vùng não khác nhau này đang thực hiện. Tôi muốn phân tích để xem các tế bào thần kinh xử lý thông tin trong vùng có tầm nhìn cao hơn đang mã hóa cái gì. Chúng mã hóa cái gì tốt hơn, hoặc hiệu quả hơn so với các tế bào thần kinh trong vỏ thị giác chính? Chính xác là chúng đang làm cái gì mà có thể cho phép chúng ta phân tích kích thích thị giác phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả đến vậy?

Quỳnh Chi (Theo Sciencedaily)