Não bộ có thể tính toán bằng sóng như thế nào?
Trong một căn phòng ồn ào, não có thể ưu tiên một giọng nói, liên hệ âm thanh với ký ức và điều chỉnh sự chú ý gần như cùng lúc. Một lý thuyết do ba nhà khoa học tại Picower Institute thuộc MIT trình bày cho rằng khả năng phối hợp nhanh này có thể dựa một phần vào các sóng hoạt động thần kinh lan trên vỏ não. Theo cách giải thích đó, não không chỉ truyền tín hiệu qua những mạch có sẵn mà còn dùng nhịp điệu, vị trí và sự giao thoa của sóng để huy động đúng nhóm neuron vào đúng thời điểm. [1]
Đây chưa phải bằng chứng rằng não thực hiện mọi phép tính bằng sóng. Các kết nối và khớp thần kinh vẫn tạo nên hạ tầng cơ bản để lưu giữ ký ức, nhu cầu và mục tiêu. Điểm mới của lý thuyết là đặt động lực sóng vào vai trò điều phối: cấu trúc kết nối xác định những khả năng sẵn có, còn các mẫu hoạt động tức thời có thể quyết định khả năng nào được sử dụng trong từng hoàn cảnh. [1]
Vì sao chỉ nhìn vào mạch neuron là chưa đủ?
Neuron liên lạc với nhau qua các khớp thần kinh và hình thành những mạng có cấu trúc tương đối ổn định. Cách nhìn theo mạch giải thích được đường truyền của tín hiệu và nơi các biểu diễn đã học có thể được duy trì. Tuy nhiên, nhận thức thường đòi hỏi phản ứng nhanh hơn việc thay đổi cấu trúc kết nối: não phải kết hợp cảm giác vừa xuất hiện với ký ức, mục tiêu và bối cảnh đang có mà không cần tái cấu trúc toàn bộ mạng lưới. [1]
Bài toán còn phức tạp vì nhiều neuron không chỉ đảm nhiệm một chức năng. Chúng có thể phản ứng với nhiều tín hiệu và bối cảnh, đặc tính được gọi là “tính chọn lọc pha trộn” (mixed selectivity). Một neuron vì thế có thể tham gia nhiều mạng chức năng chồng lấn. Cách tổ chức này mở rộng số tổ hợp mà não có thể sử dụng, nhưng đồng thời đặt ra câu hỏi: điều gì giúp một tổ hợp tạm thời được ưu tiên mà không kéo theo các tổ hợp khác? [1]
Có thể hình dung một người cùng tham gia nhiều nhóm làm việc. Các mối quan hệ đã tồn tại, nhưng nhiệm vụ trước mắt mới quyết định nhóm nào cần phối hợp. Trong ví dụ này, mạng liên hệ tương ứng với cấu trúc sẵn có, còn tín hiệu điều phối tạo nên đội hình tạm thời. So sánh này chỉ làm rõ bài toán tổ chức, không mô tả đầy đủ cách neuron hoạt động.
Các nhịp sóng có thể phân chia nhiệm vụ ra sao?
Sóng thần kinh là những dao động nhịp nhàng hình thành từ hoạt động phối hợp của nhiều neuron. Lý thuyết xem chúng không chỉ là dấu vết thụ động của việc các tế bào cùng phát xung. Khi lan qua một khu vực, động lực sóng có thể tác động trở lại mạng neuron, làm thay đổi cơ hội để một số nhóm tham gia xử lý trong một khoảng thời gian nhất định. [1]
Các dao động alpha và beta tương đối chậm được liên hệ với ký ức và mục tiêu, trong khi gamma nhanh hơn gắn với việc biểu diễn và báo cáo thông tin giác quan đang đi vào. Theo lý thuyết, alpha và beta có thể điều tiết gamma. Trạng thái sẵn có của não nhờ đó góp phần xác định đầu vào nào được ưu tiên, thay vì để mọi âm thanh, hình ảnh hoặc cảm giác cạnh tranh ngang nhau. [1]
Ví dụ, cùng nhìn một mặt bàn, người đang tìm chìa khóa sẽ ưu tiên hình dạng và vị trí khác với người đang kiểm tra bàn đã được dọn sạch hay chưa. Cảnh vật không đổi nhưng mục tiêu làm thay đổi điều được chú ý. Tình huống giả định này minh họa nhu cầu điều phối từ trên xuống; tự nó không chứng minh một dải sóng cụ thể gây ra sự thay đổi chú ý.
Sóng chọn đúng nơi và đúng lúc bằng cách nào?
Một dao động lan truyền thay đổi theo cả không gian lẫn thời gian. Nhóm nghiên cứu cho rằng sóng beta có thể ảnh hưởng đến các vùng cục bộ rồi di chuyển dọc theo vỏ não, qua đó điều tiết nơi và thời điểm gamma xử lý thông tin giác quan. Các tác giả gọi cách tổ chức theo vị trí và thời điểm này là “tính toán không-thời gian”. [1]
Cơ chế ấy có thể giúp những mạng chồng lấn không nhất thiết hoạt động lẫn lộn. Hai mạng dùng chung một số neuron vẫn có thể được ưu tiên ở các thời điểm hoặc khu vực khác nhau. Nhịp điệu và hướng lan truyền tạo thêm một tầng tổ chức trên cấu trúc kết nối tương đối ổn định, tương tự một không gian có thể phục vụ nhiều hoạt động nếu chúng được sắp xếp theo lịch khác nhau. [1]
Lý thuyết còn đề cập đến ghép nối điện trường (ephaptic coupling). Điện trường do hoạt động neuron tạo ra có thể nhanh chóng ảnh hưởng đến sự phát xung của các neuron khác. Quan hệ được đề xuất vì thế diễn ra theo hai chiều: hoạt động của tế bào tạo nên dao động tập thể, rồi điện trường gắn với dao động ấy tiếp tục điều chỉnh hoạt động tế bào. [1]
“Tính toán tương tự” ở đây có nghĩa gì?
Tính toán số thường dựa trên các trạng thái rời rạc và những bước xử lý nối tiếp. Tính toán tương tự khai thác sự biến đổi liên tục của một hệ vật lý. Khi hai sóng gặp nhau, chúng có thể tăng cường hoặc làm suy giảm biên độ tổng hợp tùy cách chồng lấn. Lý thuyết cho rằng hiện tượng cộng và trừ do giao thoa có thể cho phép nhiều quá trình được kết hợp song song. [1]
Nói “não tính bằng sóng” không có nghĩa trong não tồn tại một bộ máy tách biệt với neuron. Chính hoạt động điện của mạng neuron tạo ra sóng; đặc tính lan truyền và giao thoa của chúng mới là phần được đề xuất có vai trò tính toán. Mạch và khớp thần kinh cung cấp những tuyến liên hệ có thể dùng, còn trạng thái sóng có thể lựa chọn và phối hợp chúng theo yêu cầu tức thời. [1]
Khoảng trống quan trọng nằm ở bước từ điều phối sang tính toán. Các tác giả dựa trên những quan sát về sóng lan truyền, sự tương tác giữa các dải tần và ảnh hưởng theo không gian lẫn thời gian. Tuy vậy, nhóm nghiên cứu vẫn cần tìm dấu hiệu trực tiếp cho thấy giao thoa sóng thực sự thực hiện phép tính tương tự, thay vì chỉ xuất hiện cùng lúc với quá trình do một cơ chế khác đảm nhiệm. [1]
Lý thuyết này liên hệ thế nào với ý thức?
Theo đề xuất của các tác giả, ý thức xuất hiện khi các mẫu sóng đưa vỏ não vào trạng thái có tổ chức và tích hợp trên phạm vi rộng. Trọng tâm không nằm ở một thụ thể, một loại tế bào hay một điểm đơn lẻ, mà ở khả năng nhiều vùng vỏ não liên kết và ảnh hưởng lẫn nhau trong một trật tự chung. [1]
Các nghiên cứu gây mê được dùng để hỗ trợ mối liên hệ giữa tổ chức sóng và trạng thái có ý thức. Ba thuốc gây mê toàn thân có cơ chế phân tử khác nhau đều được quan sát thấy làm rối loạn động lực sóng não khi gây bất tỉnh. Điểm chung này cho thấy tổ chức sóng quy mô lớn có thể giữ vai trò quan trọng, nhưng không tự chứng minh giao thoa sóng là nguyên nhân duy nhất của trải nghiệm chủ quan. [1]
Bức tranh được đề xuất không buộc phải chọn giữa mạch neuron và sóng. Khớp thần kinh duy trì cấu trúc cùng những biểu diễn đã học, trong khi sóng có thể điều phối nhanh việc sử dụng các nguồn lực đó. Nếu dấu hiệu tính toán tương tự được quan sát trực tiếp, não sẽ hiện ra như một hệ vừa có nền tảng tương đối bền vững, vừa liên tục thay đổi cách phối hợp theo không gian và thời gian. [1]