Mô Hình Mới Hoàn Toàn về Não Bộ Làm Sáng Tạo Nói Lên Sự Liên Kết Của Nó

Ở giữa thế kỷ 19 tại Châu Âu, một cuộc tranh cãi đang diễn ra giữa các nhà khoa học não bộ đầu tiên. Lạ thay, cuộc tranh luận học thuật này bắt nguồn từ ngành giả khoa học phrenology, thực hành đo những nổi trên đầu để xác định tính cách của ai đó. Phrenology đã trở nên phổ biến tại các hội chợ và rất được công chúng ưa thích, nhưng đã bị hầu hết các học giả phản đối mạnh mẽ. Tuy nhiên, với một số người, màn trình diễn ở lễ hội này chứa đựng một hạt ngọc của nguồn cảm hứng. Phrenology dựa trên giả định rằng các phần khác nhau của não liên quan đến các đặc tính và khả năng khác nhau, một quan điểm được gọi là “localizationism.” Và sự vô lý của việc đo đầu không nhất thiết làm mất giá trị quan điểm này.

Nhưng những người khác không ưa mùi của sự lừa dối mà bám đầy ý tưởng liên quan đến phrenology. Nhóm thứ hai này cho rằng khả năng phân phối đồng đều trong toàn bộ não, do đó tổn thương bất kỳ khu vực não nào sẽ gây ra cùng tác động như tổn thương bất kỳ khu vực khác. Cuộc tranh luận giữa các nhóm này kéo dài đến năm 1861, khi Paul Broca, một bác sĩ thần kinh người Pháp, báo cáo về một bệnh nhân có bộ triệu chứng kỳ lạ. Mặc dù người này không thể nói, nhưng hoàn toàn có khả năng hiểu ngôn ngữ, và trí tuệ của anh ta dường như không bị ảnh hưởng. Khi bệnh nhân qua đời và Broca thẩm thấu não của anh ta, ông phát hiện ra một tổn thương, hoặc địa điểm tổn thương nặng, ở phía dưới bên trái của não. Đây là một người đã bị tổn thương ở một khu vực não cụ thể và đã mất một khả năng rất cụ thể—trong khi các chức năng còn lại của anh ta vẫn hoàn toàn bình thường! Localizationism đã được chứng minh đúng. Trong 150 năm tiếp theo, đó sẽ là quan điểm chiếm ưu thế trong khoa học não bộ.

Hoạt động dưới giả thuyết rằng các phần khác nhau của não có chức năng riêng biệt, các nhà thần kinh học đã đạt được tiến triển đáng kể trong việc hiểu cách não hoạt động. Họ đã phát hiện ra rằng thị giác xảy ra ở phía sau đầu, một dải mô ở đỉnh não gửi lệnh đến cơ bắp để cơ thể có thể di chuyển, và một cấu trúc nhỏ ở phía dưới tai có trách nhiệm cụ thể về việc nhận biết khuôn mặt. Tất cả các khu vực này được tạo nên từ chất xám, một loại mô chứa các cơ bắp tế bào neuron và bao phủ bề mặt não. Phía dưới là chất trắng, kéo dài thành bó sợi giữa các khu vực của chất xám và truyền đi tin nhắn khắp não. Nhưng mặc dù việc tìm hiểu chức năng của một phần nhất định của chất xám có thể khá đơn giản—tìm kiếm người có tổn thương ở khu vực đó và xem họ không thể làm gì—chất trắng đã chứng minh khó chịu hơn để xác định. “Trong thời gian dài, chúng ta đã phớt lờ sự kết nối đó vì chúng ta không biết cách nói về nó,” Danielle Bassett, giáo sư kỹ thuật sinh học tại Đại học Pennsylvania, nói.

Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu như Bassett đã tận dụng các công nghệ hình ảnh não mới và các công cụ toán học để khám phá bí ẩn của những kết nối này. Họ đã cùng nhau tạo nên một lĩnh vực mới được biết đến là thần kinh mạng. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng các rối loạn từ tâm thần bi phân đến đột quỵ có vẻ phụ thuộc không phải vào các khu vực não cụ thể, mà vào mạch lưới giữa những khu vực đó. Ngoài lĩnh vực của bệnh tật, các nhà khoa học khác đã sử dụng các mạng não để hiểu rõ hơn về cách tính cách và các đặc điểm khác nhau của chúng ta. Khi lĩnh vực này tiếp tục phát triển, các nhà khoa học được trang bị thần kinh mạng có thể dự đoán ai sẽ phát triển một căn bệnh cụ thể, hiểu quá trình não bộ đằng sau các triệu chứng của nó và thiết kế phương pháp điều trị tốt hơn cho nó. “Lượng bằng chứng lớn đang nói rằng nếu bạn muốn hiểu về chức năng não, triệu chứng, bệnh não, thì đơn vị cơ bản của cách não hoạt động không phải là một khu vực não mà là một mạch não,” Michael Fox, giáo sư nhi khoa tại Harvard Medical School nói.

Ngay cả ở cấp độ của các tế bào đơn, não bộ cho thấy nhiều bằng chứng về tính mạng của chúng được kết nối. “Neuron không phải là hình cầu—neuron có một cơ thể tế bào, và sau đó có một cái đuôi dài cho phép chúng kết nối với nhiều tế bào khác,” Bassett nói. “Bạn thậm chí có thể nhìn vào hình dạng của neuron và nói, ‘Ồ, vâng, sự kết nối phải quan trọng. Nếu không, nó sẽ không trông như thế này.’” Đối với Bassett, thần kinh mạng không chỉ là một cách mới để nghiên cứu não, một kỹ thuật có thể mang lại những hiểu biết từ nhiều lĩnh vực khác nhau vào ngành thần kinh học. Đó, thay vào đó, là một cách để đến gần hơn với bản chất của não, cách nó thực sự hoạt động.

“Não bộ đen bạch là một mạng,” đồng tình Olaf Sporns, giáo sư khoa học tâm lý và não bộ tại Đại học Indiana. “Đó không phải là một phép ẩn dụ. Tôi không đang so sánh táo và cam. Tôi nghĩ đó đúng là nó.” Và nếu thần kinh mạng có thể tạo ra một bức tranh rõ ràng, chính xác hơn về cách não thực sự hoạt động, nó có thể giúp chúng ta trả lời những câu hỏi về nhận thức và sức khỏe đã làm cho các nhà khoa học đau đầu từ thời Broca. “Bây giờ chúng ta đã mở rộng khẩu độ,” Sporns nói. “Chúng ta đang nhìn vào toàn bộ hệ thống.”

Ý tưởng rằng chúng ta nên xem xét các kết nối của não và không chỉ nghiên cứu từng khu vực một cách riêng biệt không hề mới mẻ. “Wernicke, người là đồng thời với Broca, thực sự tập trung vào mạch lưới,” Fox nói. Như Broca, Carl Wernicke, một bác sĩ người Đức, thực hiện nghiên cứu trên bệnh nhân có tổn thương não gây ra vấn đề nói cụ thể. Mặc dù ông có thể nghi ngờ rằng các mô trắng ở lõi não góp phần vào những khuyết tật này, ông không có cách nào thực hiện giả thuyết của mình. Nhưng trong tác phẩm xuất sắc của mình năm 1874, The Symptom Complex of Aphasia, Wernicke đã kỳ lạ dự đoán trước về thần kinh mạng hiện đại. “Chỉ có thể gán các chức năng tâm thần cơ bản nhất cho các khu vực xác định của vỏ não,” ông viết. “Mọi thứ vượt ra khỏi những chức năng đơn giản nhất này—sự kết hợp của các ấn tượng khác nhau thành một khái niệm, tư duy, ý thức—là một thành tựu của các bó sợi [tức là, mô trắng] kết nối các khu vực khác nhau của vỏ não với nhau.”

Tuy nhiên, vào thời điểm đó, ý tưởng của ông không thu hút nhiều ảnh hưởng. “Mà không có dữ liệu, bạn không thể làm nhiều điều,” Sporns nói. “Bạn có thể tạo ra các lý thuyết, nhưng không ai muốn nghe những điều đó.”

Chỉ sau một thế kỷ kể từ khi Wernicke mất, công nghệ đã tiến triển đến mức mà các nhà khoa học có thể bắt đầu nghiên cứu các kết nối não một cách nghiêm túc. “Dữ liệu mạng loại đầu tiên đến với chúng tôi vào đầu những năm 1990,” Sporns nói, người đó đã hoàn thành bằng tiến sĩ của mình trong lĩnh vực thần kinh học. Vào những ngày đó, việc thu thập dữ liệu là công việc khó khăn: Các nhà khoa học phải tiêm các chất được gọi là “chất theo dõi” vào các vị trí cụ thể trong não của động vật và đợi nhiều tuần để những chất theo dõi đó nhảy qua các bó sợi và đến đến các khu vực khác, kết nối. Khi họ mổ xẻ động vật và nhìn thấy các khu vực mà chất theo dõi đã đến, họ có thể suy luận rằng điểm tiêm ban đầu phải được kết nối với những khu vực đó.

Cuối cùng, đủ nhiều nhà khoa học đã tiêm đủ nhiều chất theo dõi vào đủ nhiều con khỉ sao để Sporns và đồng nghiệp của ông có được một bản đồ về những phần của não được kết nối với nhau. Bản đồ đại diện cho mỗi khu vực của não như một “nút,” thường được minh họa như một hình tròn hoặc một chấm, và biến mỗi kết nối giữa các khu vực thành một “cạnh,” hoặc đường, giữa các nút tương ứng. Giống như sợi len bị căng trên bảng thông báo trong cảnh một bộ phim trinh sát, mạng não của khỉ đầu tiên này khó phân tích từng liên kết một cách chi tiết. “10 năm đầu tiên của thời kỳ đó diễn ra khá chậm chạp vì lĩnh vực này rất nhỏ,” Sporns nói. “Và chúng tôi cũng không có nhiều dữ liệu để làm việc.” Một bản đồ duy nhất chỉ có thể tiết lộ được nhiều như vậy. Và làm cho mọi việc trở nên tồi tệ hơn, các kết nối không thể được theo dõi trong não người theo cách mà chúng được theo dõi trong khỉ, vì phương pháp chất theo dõi liên quan đến việc cuối cùng giết chết động vật.

Nhưng trong khi Sporns nghiên cứu về động vật, các nhà nghiên cứu khác đang tạo ra các phương tiện mới, không xâm lấn để nhìn xuyên qua hộp sọ người. Hai trong những công nghệ mà họ phát triển đã làm cho lĩnh vực thần kinh mạng mở cửa rộng lớn. Bạn có thể đã thấy hình ảnh được tạo ra bằng máy tính về nội thất của não trông giống như bó sợi dây nhiều màu sắc tại một trang trại máy chủ. Những hình ảnh này minh họa kết nối của não—bộ kết nối đầy đủ của nó—và được tạo ra bằng một kỹ thuật được gọi là hình ảnh tensor lan truyền (DTI). Bằng cách đo hướng mà các phân tử nước chảy trong não, các nhà khoa học có thể vẽ đồ sơ các bó sợi mô trắng chạy ngang qua lớp mô xám của não. Sử dụng dữ liệu thu được bằng DTI, các nhà nghiên cứu có thể chuyển đổi các khu vực mô xám thành các nút và các bó sợi mô trắng thành các cạnh. Kết quả thường được gọi là “bản đồ dây điện” của não, giống như các biểu đồ minh họa cách các thành phần được kết nối trong các thiết bị điện tử. “Đối với tôi, đó là sự giao điểm tự nhiên giữa kỹ thuật điện tử và thần kinh học,” Fox nói, người đã nghiên cứu kỹ thuật điện trước khi chuyển hướng tầm nhìn của mình vào não.

Nhưng chỉ biết vị trí của các bó sợi mô trắng không nhất thiết cho bạn biết chúng thực sự làm gì. Vì vậy, các nhà khoa học tiếp cận một cách bổ sung, được gọi là hình ảnh từ tính hạt nhân chức năng (fMRI), để tiếp cận một loại mạng não khác. fMRI có thể đo lường gián tiếp những khu vực nào của não hoạt động ở các điểm cụ thể trong thời gian bằng cách ghi lại dòng máu - càng nhiều một khu vực não làm việc, càng nhiều máu nó cần. Bằng cách quan sát xem cặp khu vực nào hoạt động đồng thời, các nhà nghiên cứu suy luận một mối quan hệ được gọi là “kết nối chức năng” giữa chúng. Tổng hợp tất cả các liên kết kết nối chức năng này và chuyển đổi chúng thành các cạnh là một cách khác để biểu diễn não như một mạng.

Chỉ vì hai khu vực hoạt động cùng một lúc không nhất thiết có nghĩa là chúng được kết nối vật lý với nhau, cũng như nó không chứng tỏ rằng chúng làm việc cùng nhau để thực hiện một hành vi nào đó. “Đó không phải là chức năng thực sự,” Sporns nói. “Nó thậm chí không phải là kết nối chút nào cả.” Không giống như các mạng được xây dựng từ DTI, mạng kết nối chức năng có thể thay đổi theo thời gian, vì khu vực não hoạt động cùng nhau khác nhau trong ngữ cảnh khác nhau. Tuy nhiên, sự tương quan là một tín hiệu rằng, vì lý do nào đó, hai khu vực đang chia sẻ thông tin nào đó.

Do khả năng hợp tác này, não là nhiều hơn tổng của các phần của nó. Để giải thích tại sao mạng có thể giúp chúng ta tìm hiểu cách não hoạt động, Bassett sử dụng một ẩn dụ điện tử: “Nếu bạn cho tôi tất cả các bộ phận của một chiếc radio, và bạn nói, ‘Đây là cái gì?’ ngay cả khi tôi biết từng bộ phận làm gì, tôi cũng có thể không nhất thiết có thể nói cho bạn biết rằng đó sẽ là một chiếc radio.” Ở những điểm khác nhau, cô chuyển hướng đến nghệ thuật, mô tả não hoạt động giống như một dàn nhạc: “Chúng ta có tất cả các nhạc cụ gỗ, sau đó chúng ta có đồng cỏ, và chúng ta có dây đàn và nhạc cụ gõ. Và để tạo ra âm nhạc thực sự, chúng ta phải có tất cả những thành phần khác nhau đó làm việc cùng nhau, một cách tạo ra một bản giao hưởng.”

Một trong những vẻ đẹp đặc biệt của phương pháp mạng là nó tạo điều kiện cho những ẩn dụ này: không chỉ là các radio và dàn nhạc mà còn là lưới điện, bản đồ đường - và đặc biệt là mạng xã hội, loại mạng mà mọi người có lẽ là quen thuộc nhất ngày nay. Petra Vértes, một nghiên cứu sinh khoa học máy tính tại Đại học Cambridge, ban đầu đã được thu hút bởi ngành thần kinh mạng vì nó liên kết nhiều vấn đề dường như khác biệt dưới một khuôn khổ tương tự. “Điều làm tôi ấn tượng là chỉ là ngôn ngữ toán học tương tự sẽ áp dụng rộng rãi cho nhiều lĩnh vực khác nhau,” cô nói. “Chúng ta có thể liên kết với ý tưởng về một mạng, giống như một mạng các thành phố được kết nối bằng các con đường cao tốc. Và tuy nhiên, khung tư duy đơn giản này, cũng có thể được sử dụng để đặt câu hỏi thực sự sâu sắc và bí ẩn.”

Với hai công cụ riêng biệt để đo an toàn mạng não con người trong thời gian dưới một giờ, cộng đồng thần kinh mạng đã đi một quãng đường dài từ những ngày đầu của mình. “Khả năng làm việc cuối cùng không chỉ với một hoặc hai bộ dữ liệu, mà hàng trăm và bây giờ, hiện nay, hàng nghìn bộ dữ liệu - đây là điều đã giải phóng chúng ta,” Sporns nói. “Và bây giờ chúng ta đang sống trong một lượng dữ liệu đến mức nó gần như là một cơn lụt.” Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đang sử dụng những mạng chức năng này để thuyết phục não tiết lộ một số bí mật của mình.

Một trong nhược điểm của nghiên cứu truyền thống về sự cục bộ hóa là nó hầu như luôn luôn liên quan đến việc làm cho đối tượng thực hiện một công việc cụ thể và quan sát cách hoạt động của não thay đổi phản ứng. Nhưng nghiên cứu mạng có thể được thực hiện khi người ta không làm gì cả. Và điều đó quan trọng khi bạn nghiên cứu cách mọi người khác nhau lẫn nhau - bao gồm cả sức khỏe và bệnh. “Nếu bạn mắc tâm thần phân liệt, bạn vẫn mắc tâm thần phân liệt ngay cả khi bạn không làm nhiệm vụ trí nhớ làm việc,” Fox nói. Vì mạng có thể được xây dựng chỉ bằng cách quan sát não làm gì khi không có yêu cầu gì đặt ra, thần kinh mạng có thể tiếp cận gần hơn với trạng thái tự nhiên của một người.

Thú vị là khi các nhà khoa học nghiên cứu não trong trạng thái tự nhiên này, sự khác biệt cá nhân dường như trở nên rõ ràng hơn. Emily Finn, giáo sư trợ giúp khoa học tâm lý và não tại Đại học Dartmouth, đã chỉ ra rằng các người khác nhau thường có các mẫu kết nối chức năng riêng của họ. “Có một loại xung đột nội tại trong não, và não của những người khác nhau thường có xu hướng xung đột theo các mẫu hơi khác nhau,” Finn nói. “Và khi bạn áp dụng một nhiệm vụ, bạn đang điều chỉnh phía trên đó một chút.”

Những mẫu kết nối đặc trưng này hạn chế - nhưng không hoàn toàn xác định - các mô hình hoạt động động của não, Bassett nói. Cô ví von điều này với những cách khác nhau mà người ta có thể đi qua một tòa nhà. “Một tòa nhà có một kiến trúc, nhưng con người đi dạo qua tòa nhà đó có thể đi một cách rất khác nhau,” cô nói. “Và những gì họ nhìn thấy, và những gì họ làm, và những gì họ có thể làm, và họ nói chuyện với ai, đều phụ thuộc vào bước đi của họ. Vâng, nó bị hạn chế bởi nơi có tường, nhưng có rất nhiều, nhiều, nhiều bước đi có thể thực hiện trong một tòa nhà duy nhất.”

Nhà khoa học đã liên kết mạng não với các đặc điểm như tính cách, chẩn đoán tâm thần, và kết quả trên đủ loại bài kiểm tra tâm lý. Finn đã sử dụng các mẫu kết nối não riêng biệt mà cô tìm thấy ở mỗi đối tượng của mình để đoán đúng mức độ thông minh của họ; gần đây hơn, một nhóm nghiên cứu tại CalTech đã có thể sử dụng các mạng não cá nhân của đối tượng để dự đoán họ mở lòng đối với trải nghiệm mới như thế nào. Và trong một số trường hợp, phân tích mạng cung cấp những ưu điểm rõ ràng hơn so với các phương pháp truyền thống. “Các hiện tượng mạng có thể mạnh mẽ hơn để dự đoán liệu ai đó có khả năng phát triển một rối loạn hay không,” Vértes nói, người đã sử dụng thần kinh mạng để nghiên cứu các rối loạn từ trầm cảm đến rối loạn căng thẳng sau chấn thương. Gần đây, Vértes đã làm việc trên các dự án đã sử dụng các mạng để xác định bệnh nhân PTSD có khả năng sẽ không phản ứng với tâm lý trị liệu và để liên kết các bất thường trong não của những người mắc tâm thần với các gen cụ thể.

Phương pháp mạng đã chứng minh là rất thích hợp để hiểu rõ về tâm thần phân liệt, mặc dù nó đã được áp dụng vào mọi loại rối loạn tâm thần. Tâm thần phân liệt phổ biến hơn nhiều so với nhiều người nhận ra - khoảng 1% dân số Hoa Kỳ bị ảnh hưởng - và triệu chứng của nó phức tạp. Những người mắc tâm thần phân liệt thường trải qua không chỉ các triệu chứng rộng rãi như ảo giác thính giác và ảo tưởng, được gọi là “triệu chứng tích cực,” mà còn “triệu chứng tiêu cực” có thể giống như trầm cảm. Nhưng các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong việc giải thích làm thế nào những triệu chứng này phát sinh bằng cách sử dụng các phương pháp truyền thống. “Đó không phải như có một khu vực duy nhất bị ảnh hưởng trong tâm thần phân liệt,” Bassett nói. “Có nhiều, nhiều khu vực, và sự tương tác giữa chúng là bị ảnh hưởng.”

Và ở những nơi tương tác quan trọng, thần kinh mạng có điều gì đó để đóng góp. Mạng được xây dựng từ não khỏe mạnh và não của người mắc tâm thần phân liệt thường trông khác nhau: Các nhà nghiên cứu liên tục phát hiện ra các mẫu kết nối cao hoặc thấp bất thường trong não của bệnh nhân tâm thần phân liệt. Vì vậy, những ảo giác, ảo tưởng và triệu chứng giống như trầm cảm có thể không phải là kết quả của một khu vực hoạt động kỳ lạ - chúng có thể thay vào đó xuất phát từ sự giao tiếp lỗi lạc giữa các khu vực.

Khi nhìn vào toàn bộ, những mạng não này cũng có vẻ thiếu một đặc điểm quan trọng khác của các mạng khỏe mạnh. Trong giai đoạn đầu của lịch sử thần kinh mạng, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng não có một thuộc tính mạng được gọi là “thế giới nhỏ.” Mạng thế giới nhỏ là một trong đó hầu hết các nút chỉ tạo ra kết nối ngắn hạn với nhau và thường được tập trung vào các mô-đun được kết nối chặt. Ít nhất một nút trong mỗi mô-đun, tuy nhiên, lại là trung tâm, có nghĩa là nó tạo ra các kết nối xa xôi trên toàn bộ mạng. Loại mạng như vậy đặc biệt tốt trong việc xử lý thông tin - có lẽ não người đã tiến hóa để có cấu trúc này để hoạt động một cách hiệu quả nhất có thể.

Tuy nhiên, trong khi não khỏe mạnh là một mạng thế giới nhỏ, não của người mắc tâm thần phân liệt lại đo đếm ít hơn một cách đo được - nó vẫn có thể được tổ chức thành các mô-đun, nhưng những mô-đun đó không kết nối chặt chẽ như vậy. Nếu thế giới nhỏ giúp não thực hiện nhiều quy trình một cách hiệu quả và hiệu quả, việc thiếu nó có lẽ một ngày nào đó có thể giúp giải thích các triệu chứng của bệnh. Bệnh tâm thần, Vértes nói, “có thể không phải về khu vực này hay khu vực kia làm điều gì đó, có thể chỉ là về các đặc điểm toàn cầu của mạng.” Tuy nhiên, ý kiến này chỉ là một khả năng.

Thần kinh mạng không chỉ giúp ích trong tâm thần học: Fox đã có thể sử dụng phương pháp này để tạo ra các kết nối chính xác giữa tổn thương não và các triệu chứng nó gây ra. Anh ghi công cho Aaron Boes, cựu nghiên cứu viên nghiên cứu của mình, vì ý tưởng ban đầu đã tạo ra một trong những minh họa mạnh mẽ nhất về tính hữu ích y tế của các mạch. Boes đang làm việc với một bệnh nhân mắc một rối loạn hiếm gọi là hallucinosis peduncular, trong đó tổn thương thalamus, một cấu trúc ở trung tâm não, gây ra ảo giác thị giác. Nhưng những người nghiên cứu vị trí đã chứng minh từ lâu rằng thị giác xảy ra ở thùy thái cảm, nằm ở phía sau não. Tại sao tổn thương thalamus lại gây ra triệu chứng thị giác?

Boes có một linh cảm rằng mạng có thể liên quan, vì vậy anh đã đến gặp Fox, và cùng nhau họ đã nghiên cứu không chỉ về vị trí của các tổn thương ở bệnh nhân mắc hallucinosis peduncular, mà còn về những mạch não mà những vị trí tổn thương đó thuộc về. “Tôi vẫn nhớ ngày chúng tôi bắt đầu xem xét sự kết nối của các vị trí tổn thương khác nhau,” Fox nói. “Và tổn thương sau tổn thương sau tổn thương, vùng thị giác ngoại thị giác liên tục xuất hiện. Và chúng tôi nhận ra chúng tôi đang có thể đang điều gì đó có vẻ quan trọng.”

Vùng thị giác ngoại thị giác, nằm ở phía sau não, đóng một vai trò quan trọng trong quá trình nhận thức thị giác. Khi hoạt động bất thường, nó có thể gây ra các ảo giác thị giác. Mặc dù bệnh nhân có tổn thương ở các vị trí khác nhau, mỗi người đều ở trong cùng mạng với - và liên kết chặt chẽ với - vùng thị giác ngoại thị giác. Như vậy, Boes và Fox đã có thể chỉ ra rằng các triệu chứng tương quan với tổn thương của một mạch, chứ không phải một vị trí cụ thể. Họ đã công bố những kết quả này trên tạp chí Brain vào năm 2015.

Có vẻ mâu thuẫn khi tổn thương, một lúc đã thuyết phục cộng đồng y học rằng các khu vực khác nhau của não có trách nhiệm khác nhau, thực sự có thể hỗ trợ cho quan điểm mạng. Nhưng Fox và đồng nghiệp của anh sau đó đã chứng minh rằng trong khi nhiều điều kiện khác nhau, như trầm cảm nhanh và mù mặt, có thể do tổn thương ở các phần rất khác nhau của não, mỗi rối loạn đều liên quan đến các tổn thương trong một mạng cụ thể.

Là một bác sĩ lâm sàng và nhà nghiên cứu, Fox đặc biệt quan tâm đến việc sử dụng phương pháp mạng không chỉ để hiểu rõ hơn về các bệnh cụ thể, mà còn để điều trị chúng. Anh đã dành nhiều năm nghiên cứu để tối ưu hóa các liệu pháp kích thích não cho các bệnh như Parkinson và trầm cảm. Hai phương pháp chính để kích thích não - kích thích não sâu (DBS), liên quan đến việc cấy các dây trực tiếp vào não, và kích thích từ xa (TMS), một phương pháp không xâm lấn liên quan đến việc di chuyển một nam châm qua các vị trí cụ thể trên sọ - đều có sẵn khi Fox bắt đầu công việc của mình vào thập kỷ đầu tiên của thập kỷ 2000, nhưng chúng còn rất xa từ sự hoàn thiện.

Cả hai công nghệ đều dựa trên ý tưởng rằng một số bệnh thần kinh và tâm thần học là do hoạt động bất thường của não, và kích thích có thể sửa chữa chúng. Trong Parkinson, kích thích một khu vực được gọi là càng não giảm nhẹ các triệu chứng như run, và một công nghệ liên quan gọi là kích thích thần kinh đáp ứng có thể chấm dứt cơn co giật do họ bắt nguồn từ đâu. “Với tư cách là một kỹ sư điện, ý tưởng rằng bạn có thể đặt điện cực vào não của ai đó, bật chúng lên, và có tác động gần như kỳ diệu lên triệu chứng Parkinson - hoặc giữ nam châm đi qua não của ai đó và sửa chữa trầm cảm của họ - nó hầu như giống như khoa học viễn tưởng,” anh nói.

Nhưng nhiều thập kỷ nghiên cứu đã chứng minh rằng, đối với hầu hết các bệnh khác, các vùng như vậy không tồn tại. Và thậm chí nếu chúng có tồn tại, việc kích thích vào một điểm cụ thể sẽ không giữ nguyên ở điểm đó, vì một khu vực hoạt động sẽ gửi ra các tín hiệu dọc theo các đoạn trắng chất, và những tín hiệu đó có thể lần lượt kích thích các khu vực khác. “Nếu bạn muốn kích thích [một] khu vực cụ thể của não để làm dịu một cơn co giật, kích thích của bạn đối với khu vực đó không ở lại trong khu vực đó - nó đi khắp mọi nơi khác,” Bassett nói.

Ngoài việc mang lại cho các bác sĩ hiểu biết tốt hơn về hậu quả của kích thích não, thì mạng lưới não học cũng có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các kỹ thuật tốt hơn. Đặc biệt, nếu các nhà khoa học có thể xác định được các mạng mà một kỹ thuật rất xâm lấn như kích thích não sâu đang tác động vào, họ có thể đạt được kết quả tương tự với phương pháp không phẫu thuật như TMS. “Khi mục tiêu của bạn là một mạng, bạn có thể tập trung vào mạng đó theo cách khác nhau,” Fox nói. “Bạn có thể bắt đầu kiểm tra tác động điều trị của mạng một cách không xâm lấn trước khi bạn thực hiện điều gì đó xâm lấn.” Đặc biệt, phương pháp này có thể cho phép các bác sĩ tiếp cận các vùng nằm sâu trong não, như những nơi được định rõ trong các liệu pháp DBS cho Parkinson, thông qua các khu vực gần bề mặt.

Và khi các nhà khoa học bắt đầu nghĩ về các bệnh não như là kết quả của nhiều vùng tác động cùng một lúc, thay vì một vùng duy nhất, họ có thể bắt đầu cố gắng mục tiêu toàn bộ mạng một cách đồng thời. “Có thể là cách tốt nhất để giúp đỡ một triệu chứng liên quan đến một mạng là thực sự là nhiều điện cực, hoặc nhiều điểm kích thích,” Fox nói.

Các liệu pháp dược học, chiếm ưu thế trong thực hành tâm thần học, không chỉ ảnh hưởng đến các khu vực cụ thể của não. Giống như một loại thuốc giảm đau sẽ làm giảm đau khắp cơ thể, một loại thuốc tâm thần cũng sẽ lan rộng khắp não. Tuy nhiên, mạng lưới não học vẫn có thể hữu ích để tối ưu hóa các liệu pháp thuốc: Nó có thể giúp các bác sĩ hướng dẫn lựa chọn loại thuốc cho cá nhân, chứ không phải là cho bệnh. Nếu các nhà khoa học hiểu rõ hơn về những điểm khác nhau giữa các não, họ có thể tận dụng những khác biệt đó để dự đoán ai sẽ phản ứng tốt nhất với loại thuốc nào.

“Đối với một số người, thuốc X có hiệu quả, và đối với một số người khác, thuốc Y có hiệu quả, và bạn không biết cho đến khi bạn thử cả hai,” Bassett nói. “Và tôi cảm thấy như đó là khoa học thời Trung cổ. Nhưng hy vọng là, với sự hiểu biết về sự khác biệt cá nhân trong não, chúng ta sẽ có cách đòn bẩy tốt hơn để dự đoán phản ứng của con người với một can thiệp cụ thể - và sau đó không phải để mọi người phải trải qua một năm thử nghiệm với các loại thuốc khác nhau trước khi chúng ta tìm ra một loại thuốc phù hợp với họ.”

Vértes đồng tình rằng các nghiên cứu sẽ cần phải tìm ra cách kê đơn các loại thuốc cụ thể cho từng người, ngay cả khi họ có cùng một chẩn đoán. “Trầm cảm, đó không phải là một điều. Đó có lẽ là ít nhất một vài lớp bệnh lý hoặc sự khác biệt chủ yếu,” cô nói. “Và sau đó, nếu bạn muốn một loại thuốc cho nó, thì càng phân loại bệnh nhân của bạn tốt hơn, bạn càng có khả năng phát triển ra một loại thuốc hoạt động cho lớp đó.”

Cuối cùng, cô tin rằng điều trị tâm thần hiệu quả sẽ phụ thuộc vào việc điều chỉnh liệu pháp cho từng bệnh nhân cụ thể. “Sẽ không có một loại thuốc phù hợp cho tất cả,” cô nói.

Nhưng việc kê đơn thuốc dựa trên mạng lưới não cụ thể của mỗi người vẫn là chưa thể, và mạng lưới não học không phải là một phương thuốc chữa tất cả cho sự tiến triển chậm rãi của nghiên cứu tâm thần. Việc phát hiện ra rằng não của những người mắc bệnh tâm thần có ít tính chất thế giới nhỏ là một kết quả quan trọng. Nhưng Finn đặt nghi ngờ vào việc điều đó thực sự nói cho chúng ta biết bao nhiêu, ít nhất là cho đến bây giờ. “Nếu tôi nói, OK, những người mắc bệnh tâm thần có ít tính chất thế giới nhỏ trong não của họ, điều đó có vẻ thú vị. Đó là một kết quả hay ho,” cô nói. “Nhưng đối với tôi, ít nhất là đến lúc này, việc chuyển đổi điều đó thành một hành động chúng ta có thể thực hiện là khá khó khăn.”

Tương tự, Vértes tin rằng một trong những ưu điểm cụ thể của mạng lưới não học—đó là nó coi não như một tổ chức tích hợp—cũng có thể làm chậm quá trình phát triển các phương pháp điều trị mới. “Một nút là một đám mô não. Làm thế nào chúng ta chuyển từ đó đến bất cứ điều gì liên quan đến điều trị?” cô hỏi. “Thuốc hoạt động ở mức phân tử. Và ở đây chúng ta đang nói về centimet.”

Một số nghiên cứu viên nhận thấy có một xu hướng chuyển sang sự trừu tượng hóa lớn hơn trong lĩnh vực thiết kế các độ đo mạng lưới mới. Mặc dù một số độ đo tiêu chuẩn, như trung tâm bậc—số cạnh được kết nối với một nút nhất định—có ý nghĩa rõ ràng, “bây giờ có vẻ như mỗi tuần, có một độ đo trung tâm mới mà ai đó đã định rõ là hữu ích trong một số tình huống,” Vértes nói. “Tôi luôn thúc đẩy sinh viên đo lường bốn điều đơn giản nhất nằm trên trang đầu tiên của bất kỳ sách giáo trình nào,” nghĩa là phân cụ, trung tâm, đám mây và chiều dài đường đi. (Xem đồ họa ở cuối câu chuyện này để biết thêm chi tiết về mỗi độ đo.)

Finn chia sẻ những lo ngại đó. “Tôi cũng lo lắng rằng không luôn có những nỗ lực tuyệt vời để đảm bảo rằng bằng cách thêm những tầng phức tạp đó, bạn thực sự đang có được nhiều giá trị hơn cho chi phí của mình,” cô nói. Những công cụ mới này có thể không chỉ là không cần thiết: chúng có thể làm cho một số mục tiêu của não học mạng trở nên khó đạt được hơn. Bởi vì các độ đo phức tạp mà các nhà nghiên cứu phát minh thường rất trừu tượng so với dữ liệu thô, việc kết nối chúng với điều gì đang diễn ra thực sự trong não có thể khó khăn. Và mà không có cái nhìn sâu sắc vào những gì đang xảy ra trong não, việc thiết kế các biện pháp can thiệp như các liệu pháp kích thích não của Fox trở thành một thách thức lớn.

Mục tiêu của não học mạng không phải là bỏ qua các hiện tượng cụ thể, cấp thấp hơn mà là cố gắng hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa chúng. Một cách, những nhà nghiên cứu não học mạng vẫn đang nghiên cứu về các khu vực của não, giống như người theo trường phái cục bộ hóa—họ chỉ đơn giản quan tâm đến các kết nối giữa những khu vực đó hơn là những gì chúng làm độc lập. Tháng trước, Bassett công bố một bài báo trên Nature Neuroscience mô tả một phương pháp để kết nối cả hai loại nghiên cứu. Để thực sự hiểu rõ điều gì đang xảy ra trong não, cô đề xuất, chúng ta cần hiểu cách các khu vực não cụ thể đại diện cho thông tin và cách thông tin đó được biến đổi khi nó được truyền từ một khu vực này sang một khu vực khác. “Cá nhân tôi nghĩ rằng điều cần phải xảy ra là một sự kết hôn chân thành giữa cả hai để hiểu cách các tính toán cụ thể diễn ra trong một khu vực lan theo mạng,” cô nói. “Mô hình kết nối cũng không đủ.”

Đối với Sporns, cuộc hôn nhân này là một điều tự nhiên. “Mạng không phải là một loại thuốc chống cho cục bộ hóa,” ông nói. “Chúng giống như một cách kết hợp khung cảnh nơi bạn tìm kiếm sự khác biệt cục bộ với một nơi bạn nhìn vào hệ thống như một thể.” Có lẽ, ngay cả khi não học mạng trở nên ngày càng phổ biến, di sản của Broca sẽ tiếp tục sống mãi.

Những điều tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Thành phố San Francisco đã chuẩn bị đặc biệt cho Covid-19
• Không có điều gì là bí mật gia đình trong thời đại của 23andMe
• Liệu việc loại bỏ cookie có thể cứu vãn báo chí?
• Có lẽ Netflix và Amazon nên mua chuỗi rạp phim luôn
• Gọi điều đó là Bullshit châm biếm những thương nhân BS trên thế giới
• 🎙️ Nghe Get MYTOUR, podcast mới của chúng tôi về cách tương lai được hiện thực hóa. Nghe các tập mới nhất và đăng ký nhận 📩 thông báo để theo dõi tất cả các chương trình của chúng tôi
• 📱 Phân vân giữa những chiếc điện thoại mới nhất? Đừng lo lắng—kiểm tra hướng dẫn mua iPhone của chúng tôi và những chiếc điện thoại Android yêu thích