Làm thế nao Não Giữ Những Kí Ức Của Mình Đúng Thứ Tự

Cuộc hành trình bắt đầu cách đây khoảng một thập kỷ tại Đại học Syracuse, với một bảng phương trình được viết ngổn ngang trên một bảng đen. Marc Howard, một nhà nghiên cứu thần kinh học nhận thức hiện đang làm việc tại Đại học Boston, và Karthik Shankar, người từng là học viên nghiên cứu sau đại học của ông, muốn tìm ra một mô hình toán học về xử lý thời gian: một chức năng có thể tính toán nơi não biểu diễn quá khứ, giống như một bức tranh tâm trí mà não có thể vẽ kí ức và nhận thức. “Hãy nghĩ về cách võng mạc hoạt động như một màn hình cung cấp mọi loại thông tin hình ảnh,” Howard nói. “Đó chính là thời gian đối với bộ nhớ. Và chúng tôi muốn lý thuyết của mình giải thích cách màn hình đó hoạt động.”

Nhưng việc biểu diễn một bảng thông tin hình ảnh, như độ sáng hoặc độ sáng, dưới dạng các hàm của các biến nhất định, như bước sóng, khá đơn giản, vì các cảm biến chuyên dụng trong mắt chúng ta đo trực tiếp những đặc tính đó trong những gì chúng ta nhìn thấy. Não không có các cảm biến đó cho thời gian. “Việc nhìn thấy màu sắc hoặc hình dạng, đó là rõ ràng hơn nhiều,” nói Masamichi Hayashi, một nhà nghiên cứu thần kinh học tại Đại học Osaka ở Nhật Bản. “Nhưng thời gian lại là một thuộc tính rất khó nắm bắt.” Để mã hóa điều đó, não phải làm một điều gì đó không trực tiếp.

Xác định điều đó nhìn như thế nào ở cấp độ của các tế bào thần kinh đã trở thành mục tiêu của Howard và Shankar. Ý kiến duy nhất của họ khi tham gia dự án, Howard nói, là “ý thức thẩm mỹ của tôi là nên có một số ít các quy tắc đơn giản, đẹp.”

Họ đưa ra các phương trình để mô tả cách não có thể lý thuyết mã hóa thời gian một cách gián tiếp. Theo kế hoạch của họ, khi các tế bào thần kinh cảm giác phát sóng phản ứng trước một sự kiện đang diễn ra, não ánh xạ thành phần thời gian của hoạt động đó vào một biểu diễn trung gian của trải nghiệm—một biến đổi Laplace, theo thuật ngữ toán học. Biểu diễn đó cho phép não bảo toàn thông tin về sự kiện dưới dạng một hàm của một biến mà nó có thể mã hóa thay vì dưới dạng hàm của thời gian (mà nó không thể). Sau đó, não có thể ánh xạ biểu diễn trung gian trở lại thành hoạt động khác cho một trải nghiệm thời gian—một biến đổi Laplace nghịch đảo—để tái tạo một bản ghi nén về những gì đã xảy ra khi.

Chỉ vài tháng sau khi Howard và Shankar bắt đầu làm rõ lý thuyết của họ, các nhà khoa học khác đã phát hiện ra độc lập các tế bào thần kinh, được đặt tên là “tế bào thời gian,” chúng “gần nhất mà chúng ta có thể có được bản ghi rõ ràng về quá khứ,” Howard nói. Mỗi tế bào này được điều chỉnh đối với các điểm nhất định trong một khoảng thời gian, với một số phát sóng, ví dụ, một giây sau một kích thích và những cái khác sau năm giây, về cơ bản là kết nối những khoảng thời gian giữa các trải nghiệm. Các nhà khoa học có thể nhìn vào hoạt động của các tế bào và xác định khi nào một kích thích đã được trình bày, dựa trên việc tế bào nào đã phát sóng. Điều này là phần của khung công việc biến đổi Laplace nghịch đảo của các nghiên cứu viên, xấp xỉ hàm của thời gian đã qua. “Tôi nghĩ, ôi trời ơi, những thứ trên bảng đen, đây có thể là thứ thực sự,” Howard nói.

“Đó là lúc tôi biết não sẽ hợp tác,” ông thêm vào.

Được tăng cường bởi sự hỗ trợ thực nghiệm cho lý thuyết của họ, ông và đồng nghiệp của ông đã đang làm việc trên một khung công việc rộng lớn, mà họ hy vọng sẽ sử dụng để thống nhất các loại bộ nhớ rất khác nhau của não, và hơn thế nữa: Nếu các phương trình của họ được triển khai bởi các tế bào thần kinh, chúng có thể được sử dụng để mô tả không chỉ việc mã hóa thời gian mà còn một loạt các thuộc tính khác—thậm chí là suy nghĩ chính nó.

Loại thời gian liên kết với ký ức mà Tsao muốn nghĩ về chìm sâu trong tâm lý học. Đối với chúng ta, thời gian là một chuỗi sự kiện, một đơn vị đo lường của nội dung thay đổi dần dần. Điều đó giải thích tại sao chúng ta nhớ những sự kiện gần đây hơn so với những sự kiện từ lâu, và tại sao khi một ký ức cụ thể xuất hiện trong tâm trí, chúng ta thường nhớ những sự kiện xảy ra vào thời gian xung quanh. Nhưng làm thế nào mà điều đó dẫn đến một lịch sử thời gian được sắp xếp, và cơ chế thần kinh nào đã làm cho điều đó có thể xảy ra?

Ban đầu, Tsao không tìm thấy gì cả. Ngay cả việc xác định cách tiếp cận vấn đề là khó khăn vì, kỹ thuật, mọi thứ đều có một chất lượng thời gian nào đó. Anh ta nghiên cứu hoạt động thần kinh trong vỏ não trung ương bên của chuột khi chúng tìm thức ăn trong một khu vực, nhưng anh ta không thể hiểu rõ được dữ liệu hiển thị điều gì. Không có tín hiệu thời gian đặc biệt nào dường như nổi lên.

Tsao tạm dừng công việc, trở lại trường và trong những năm tiếp theo, anh ta để dữ liệu không chạm vào. Sau này, khi là sinh viên sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Moser, anh quyết định xem xét lại nó, lần này thử nghiệm một phân tích thống kê của tế bào thùy não ở mức dân số. Đó là lúc anh thấy nó: một mô hình bắn tia mà, với anh, trông giống như thời gian.

Anh, cùng với Mosers và đồng nghiệp của họ, thiết lập thêm thí nghiệm để kiểm tra kết nối này hơn nữa. Trong một loạt các thử nghiệm, một con chuột được đặt trong một hộp, nơi nó có thể tự do di chuyển và tìm kiếm thức ăn. Các nhà nghiên cứu ghi lại hoạt động thần kinh từ vỏ não trung ương bên và các khu vực não gần đó. Sau vài phút, họ đưa chuột ra khỏi hộp và cho phép nó nghỉ ngơi, sau đó đặt nó trở lại. Họ làm điều này 12 lần trong khoảng một giờ và nửa, xen kẽ giữa màu sắc của các bức tường (có thể là đen hoặc trắng) giữa các thử nghiệm.

Những hành vi thần kinh liên quan đến thời gian chủ yếu xuất hiện trong vỏ não trung ương bên. Tần suất bắn tia của những tế bào thần kinh đó tăng đột ngột khi con chuột bước vào hộp. Khi giây và sau đó là phút trôi qua, hoạt động của những tế bào thần kinh giảm với các tỷ lệ khác nhau. Hoạt động này tăng lên lại ở đầu thử nghiệm tiếp theo, khi con chuột bước vào hộp lần nữa. Trong khi đó, ở một số tế bào, hoạt động giảm không chỉ trong mỗi thử nghiệm mà còn trong suốt cuộc thí nghiệm toàn bộ; trong các tế bào khác, nó tăng lên suốt thời kỳ thử nghiệm.

Dựa trên sự kết hợp của những mô hình này, các nhà nghiên cứu—và có thể là con chuột—có thể phân biệt các thử nghiệm khác nhau (theo dõi tín hiệu trở lại các phiên trong hộp, như là những dấu thời gian) và sắp xếp chúng theo thứ tự. Hàng trăm tế bào thần kinh dường như đang cùng nhau làm việc để theo dõi thứ tự của các thử nghiệm và độ dài của mỗi thử nghiệm.

“Bạn có được các mô hình hoạt động không chỉ là để giữ thông tin mà còn là để phân tích cấu trúc trải nghiệm,” Matthew Shapiro, một nhà nghiên cứu thần kinh tại Albany Medical College ở New York, người không tham gia vào nghiên cứu, nói.

Dường như con chuột đang sử dụng những “sự kiện”—sự thay đổi trong bối cảnh—để có được cảm giác về thời gian đã trôi qua. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng tín hiệu có thể trông rất khác khi trải nghiệm không được chia rõ thành các tập trận riêng biệt. Vì vậy, họ đã để cho các con chuột chạy quanh một đường đua hình số tám trong một loạt các thử nghiệm, đôi khi theo một hướng và đôi khi theo hướng khác. Trong khi thực hiện nhiệm vụ lặp lại này, tín hiệu thời gian của vỏ não trung ương bên trùng lắp, có lẽ chỉ ra rằng con chuột không thể phân biệt một thử nghiệm nào khác: chúng trộn lẫn vào thời gian. Tuy nhiên, các tế bào thần kinh dường như vẫn theo dõi sự trôi qua của thời gian trong từng vòng, nơi đủ sự thay đổi xảy ra từ một khoảnh khắc sang khoảnh khắc.

Tsao và đồng nghiệp của anh ta rất hứng khởi vì họ cho rằng họ đã bắt đầu tìm ra một cơ chế đằng sau thời gian chủ quan trong não, một cơ chế cho phép ký ức được đánh dấu rõ ràng. “Nó chỉ ra cách cảm nhận của chúng ta về thời gian có độ co giãn đến nhường nào,” Shapiro nói. “Một giây có thể kéo dài mãi mãi. Những ngày có thể biến mất. Đó là cách chúng ta mã hóa thông qua việc phân tích cấu trúc trải nghiệm, điều đó, đối với tôi, làm cho một giải thích rất sáng tạo về cách chúng ta nhìn thấy thời gian. Chúng ta đang xử lý những điều xảy ra theo chuỗi, và điều gì xảy ra trong những chuỗi đó có thể xác định ước lượng chủ quan về thời gian đã trôi qua.” Các nhà nghiên cứu bây giờ muốn tìm hiểu chính xác cách điều đó xảy ra.

Toán học của Howard có thể giúp ích cho việc đó. Khi ông nghe về kết quả của Tsao, được trình bày tại một hội nghị vào năm 2017 và được xuất bản trong Nature vào tháng 8 năm ngoái, ông đã hết sức phấn khích: Các tỷ lệ giảm Tsao quan sát được trong hoạt động thần kinh chính xác như những gì lý thuyết của ông đã dự đoán nên xảy ra trong biểu diễn trung gian về trải nghiệm trong não. “Nó trông giống như một biến đổi Laplace của thời gian,” Howard nói—phần của mô hình của ông và Shankar mà công việc thực tế đã thiếu.

“Nó hơi kỳ lạ,” Howard nói. “Chúng tôi đã có những phương trình này trên bảng về biến đổi Laplace và biến ngược xung quanh thời gian mọi người đang phát hiện ra tế bào thời gian. Vì vậy, chúng tôi đã dành 10 năm trôi qua để nhìn thấy biến ngược, nhưng chưa thấy biến đổi thực sự. … Bây giờ chúng tôi có nó. Tôi rất phấn khích.”

“Đó là điều hứng thú,” Kareem Zaghloul, một bác sĩ phẫu thuật thần kinh và nghiên cứu viên tại Viện Y tế Quốc gia ở Maryland, nói, “vì dữ liệu họ hiển thị rất nhất quán với ý tưởng của [Howard].” (Trong công việc được xuất bản vào tháng trước, Zaghloul và đội ngũ của anh ta chỉ ra rằng sự thay đổi trong trạng thái thần kinh trong thùy thái dương của con người có liên quan trực tiếp đến hiệu suất của họ trong một nhiệm vụ trí nhớ.)

“Có một xác suất khác không rằng toàn bộ công việc mà đồng nghiệp và sinh viên của tôi và tôi đã làm chỉ là tưởng tượng. Đó là về một tập hợp phương trình nào đó không tồn tại ở bất kỳ nơi nào trong não hay trên thế giới,” Howard thêm. “Nhìn thấy nó ở đó, trong dữ liệu từ phòng thí nghiệm của người khác — đó là một ngày tốt.”

Xây Dựng Dòng Thời Gian của Quá Khứ và Tương Lai

Nếu mô hình của Howard là đúng, thì nó cho chúng ta biết cách chúng ta tạo ra và duy trì một dòng thời gian của quá khứ—những gì ông mô tả như một “vệt đuôi của sao chổi” kéo dài phía sau chúng ta khi chúng ta sống cuộc sống, trở nên mờ dần và bị nén lại hơn khi nó trở nên xa xôi. Dòng thời gian này có thể hữu ích không chỉ đối với ký ức episodic trong hốc nang mũi, mà còn đối với bộ nhớ làm việc trong vỏ não trước trán và phản ứng điều kiện trong striatum. Những “điều này có thể được hiểu là các phép toán khác nhau hoạt động trên cùng một dạng lịch sử thời gian,” Howard nói. Mặc dù cơ chế thần kinh cho phép chúng ta nhớ một sự kiện như ngày đầu tiên đi học khác với những cơ chế cho phép chúng ta nhớ một sự thật như số điện thoại hoặc kỹ năng như cách đi xe đạp, chúng có thể phụ thuộc vào nền tảng chung này.

Việc phát hiện ra tế bào thời gian trong những khu vực não đó (“Khi bạn đi tìm kiếm chúng, bạn sẽ thấy chúng khắp nơi,” theo lời của Howard) dường như hỗ trợ ý kiến này. Cũng như các phát hiện gần đây—sẽ sớm được Howard, Elizabeth Buffalo tại Đại học Washington và các cộng tác viên khác công bố—rằng khi nhìn thấy một loạt hình ảnh, khỉ có hoạt động thời gian giống như mà Tsao quan sát được ở chuột. “Đó là đúng những gì bạn mong đợi: thời gian kể từ khi hình ảnh được hiển thị,” Howard nói.

Anh ta nghi ngờ rằng bản ghi không chỉ phục vụ trí nhớ mà còn toàn bộ nhận thức. Anh ta đề xuất rằng cùng một toán học có thể giúp chúng ta hiểu về giác quan về tương lai của mình: Điều này trở thành một vấn đề chuyển đổi các chức năng liên quan. Và điều đó có thể giúp chúng ta hiểu về việc duy trì thời gian như thế nào khi liên quan đến dự đoán về các sự kiện sắp xảy ra (điều này chính là dựa trên kiến thức thu được từ các trải nghiệm quá khứ).

Howard cũng đã bắt đầu chỉ ra rằng những phương trình giống nhau mà não có thể sử dụng để biểu diễn thời gian cũng có thể được áp dụng vào không gian, số lượng (ý thức về số) và ra quyết định dựa trên bằng chứng thu thập được—thực sự, đối với bất kỳ biến số nào có thể được đặt vào ngôn ngữ của những phương trình này. “Với tôi, điều hấp dẫn là bạn đã tạo ra một đồng tiền thần kinh để suy nghĩ,” Howard nói. “Nếu bạn có thể viết ra trạng thái của não … điều hàng triệu tế bào thần kinh đang làm … dưới dạng phương trình và biến đổi của phương trình, đó là suy nghĩ.”

Anh và đồng nghiệp của anh đã đang làm việc để mở rộng lý thuyết sang các lĩnh vực nhận thức khác. Một ngày nào đó, các mô hình nhận thức như vậy có thể dẫn đến một loại trí tuệ nhân tạo mới được xây dựng trên một nền tảng toán học khác với các phương pháp học sâu hiện nay. Chỉ trong tháng trước, các nhà khoa học xây dựng một mô hình mạng thần kinh mới về nhận thức thời gian, chỉ dựa trên việc đo lường và phản ứng với các thay đổi trong một cảnh quan hình ảnh. (Tuy nhiên, phương pháp này tập trung vào phần đầu vào giác quan của bức tranh: điều đang xảy ra ở bề mặt và không sâu trong các khu vực não liên quan đến trí nhớ mà Tsao và Howard nghiên cứu.)

Nhưng trước khi bất kỳ ứng dụng nào cho Trí tuệ Nhân tạo có thể xảy ra, các nhà khoa học cần xác định cách não tự thực hiện điều này. Tsao nhận thức rằng vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu, bao gồm cả điều gì thúc đẩy vỏ não trung ương bên làm những gì nó đang làm và điều gì cụ thể cho phép ký ức được đánh dấu. Nhưng các lý thuyết của Howard đều đưa ra những dự đoán cụ thể có thể giúp các nhà nghiên cứu mở rộng những con đường mới để tìm kiếm câu trả lời.

Tất nhiên, mô hình của Howard về cách não biểu diễn thời gian không phải là ý tưởng duy nhất có sẵn. Một số nghiên cứu viên, ví dụ, đưa ra giả định về chuỗi các tế bào thần kinh, được kết nối bởi các kết nối thần kinh, bắn theo thứ tự. Hoặc có thể sẽ phát hiện ra rằng một loại biến đổi khác, không phải biến đổi Laplace, đang có tác dụng.

Những khả năng này không làm giảm sự hứng khởi của Howard. “Tất cả điều này vẫn có thể sai,” ông nói. “Nhưng chúng tôi hào hứng và đang nỗ lực.”

Chuyện gốc được tái in với sự cho phép từ Quanta Magazine, một tờ báo độc lập về biên tập của Quanta Magazine, một tổ chức phi lợi nhuận do Simons Foundation thực hiện, nhiệm vụ của họ là nâng cao sự hiểu biết của công chúng về khoa học bằng cách bao quát các tiến triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học tự nhiên và sinh học.

Những điều tuyệt vời hơn từ Mytour

• Một bản đồ đáng sợ cho thấy làm thế nào biến đổi khí hậu sẽ thay đổi thành phố
• Strava có một cách mới để xây dựng tuyến đường bằng cách vuốt ngón tay
• Diễn ra điều gì nếu Nga tách mình khỏi internet
• Đi cùng chàng trai xây dựng các đường tàu lượn trong sân nhà của mình
• Captain Marvel có trang web phim hay nhất kể từ Space Jam
• 👀 Đang tìm kiếm những sản phẩm công nghệ mới nhất? Kiểm tra các hướng dẫn mua sắm và ưu đãi tốt nhất của chúng tôi suốt cả năm
• 📩 Muốn biết thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và không bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi