Não bộ bạn chứa những "neuron chuối" được tạo ra chỉ để phát hiện mùi chuối, và cả "neuron hoa sữa" nữa. Bạn có thể "tắt" chúng đi được không?

Trong khi nhiều người yêu thích hương thơm của bánh chuối trong mùa đông Hà Nội, có thể họ không muốn ngửi thấy mùi hoa sữa.

Bạn có cảm nhận được mùi chuối nhẹ nhàng từ bức ảnh này không? Hương bột chiên giòn tan, mùi chuối béo ngậy và thơm phức, cùng với cảm giác của mùa đông Hà Nội.

Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature đã phát hiện ra một nhóm tế bào thần kinh trong não chịu trách nhiệm nhận diện mùi chuối, chỉ riêng mùi chuối mà thôi.

Những "neuron chuối" này sẽ "kêu lên trong hạnh phúc" khi chúng ta ngửi thấy mùi, nhìn thấy chuối, hoặc chỉ cần nghe thấy từ "chuối".

Sau đó, chúng sẽ kích hoạt một chuỗi tín hiệu thần kinh như những tiếng pháo nổ, gợi nhớ tất cả các kỷ niệm về chuối đã được lưu trữ trong não bạn, từ kỷ niệm thưởng thức bánh chuối trên vỉa hè mùa đông năm ngoái, đến những quả chuối mà bà đã tặng bạn từ khi còn nhỏ.

Đây là nghiên cứu đầu tiên và duy nhất cho đến nay chứng minh cách mà bộ não con người mã hóa các mùi hương khác nhau trong từng tế bào thần kinh. Độ phân giải của trí nhớ này thực sự khiến các nhà khoa học cảm thấy kinh ngạc.

Khứu giác: Một giác quan thường bị khoa học lãng quên

Có lẽ bạn đã biết, chúng ta có thể nhìn thấy nhờ ánh sáng phản chiếu hình ảnh vào võng mạc. Chúng ta nghe được là nhờ âm thanh va chạm với màng nhĩ. Nhưng bạn có biết chúng ta ngửi thấy nhờ cái gì không?

Mặc dù loài người đã nhận thức được sự tồn tại của khứu giác từ hàng nghìn năm trước, nhưng các nghiên cứu khoa học về cách khứu giác hoạt động chỉ mới bắt đầu trong vài thập kỷ gần đây.

Cụ thể, đến năm 1991, các nhà khoa học mới xác định được các cơ quan thụ cảm khứu giác trong mũi và hệ thống khứu giác trong não. Đây là lần đầu tiên nhân loại thực sự hiểu mùi được cảm nhận như thế nào. 

Hai nhà khoa học Linda Buck và Richard Axel, những người phát hiện ra các thụ thể khứu giác và vùng não tiếp nhận khứu giác, đã cùng nhận giải Nobel Y học vào năm 2004. 

So sánh với việc con người đã có kiến thức rõ ràng về võng mạc từ thế kỷ 11 và về màng nhĩ từ thế kỷ 16, có thể thấy nghiên cứu khứu giác là một lĩnh vực khoa học "non trẻ" như thế nào. Nhưng tại sao lại như vậy?

Sandeep Robert Datta, giáo sư thần kinh học tại Đại học Harvard, cho rằng nghiên cứu khứu giác bị lãng quên vì con người vốn là sinh vật thị giác. Chúng ta dành một phần ba bộ não để xử lý thông tin thị giác. Ngay cả khi chưa nhận thức được, con người cũng hiểu rằng thị giác là giác quan quan trọng nhất.

Nếu phải lựa chọn giữa việc mất thị giác, thính giác hay khứu giác, hầu hết mọi người sẽ chọn từ bỏ khứu giác. "Chúng ta thường xem khứu giác như một giác quan không quan trọng", giáo sư Datta nhận xét.

Điều này được phản ánh trong ngôn ngữ của chúng ta, khi rất ít từ miêu tả khứu giác, trong khi thị giác và thính giác có rất nhiều từ ngữ cụ thể. Tất cả tính từ mô tả mùi hương đều khá mơ hồ. Trong ngành nước hoa, người ta thường phải mượn danh từ để diễn đạt, chẳng hạn như mùi khói, mùi hoa hồng, mùi long diên hương…

Đây là một trở ngại lớn cho khoa học, giáo sư Datta nhấn mạnh, con người gặp khó khăn trong việc truyền đạt cảm nhận về khứu giác theo cách mà các nhà nghiên cứu có thể hiểu. "Ý tôi là, mùi thực sự là gì? Nếu tôi ngửi một cốc cà phê vào buổi sáng, thực ra đó không chỉ là một mùi cụ thể. Đó là mùi tổng hợp từ hơn 800 loại hóa chất dễ bay hơi có trong cà phê," ông nói.

Để thay đổi mùi của một cốc cà phê, bạn cần điều chỉnh hơn 800 thông số hóa học của nó. Trong khi đó, việc điều chỉnh ánh sáng chỉ yêu cầu thay đổi một vài thuộc tính như cường độ, bước sóng, tần số… cũng như cao độ, âm lượng và biên độ của âm thanh.

Điều này có nghĩa là các nhà khoa học gặp khó khăn trong việc hiệu chuẩn các nghiên cứu về khứu giác của mình. Tất cả những lý do này đã góp phần khiến lĩnh vực khoa học này bị lãng quên suốt hàng thế kỷ.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu khứu giác đã bước vào thời kỳ vàng son của mình

Đây là một quá trình tích lũy kéo dài 20 năm nghiên cứu, kể từ khi nhận giải Nobel Y học năm 2004. Hiện tại, các nhà khoa học đã biết được con đường mà các mùi hương di chuyển từ mũi lên não của chúng ta.

Hãy tưởng tượng khoảnh khắc bạn ngửi thấy một mùi hương nào đó, chẳng hạn như mùi hoa sữa. Quay ngược lại 0,06 giây. Đó là lúc một hỗn hợp gồm 30-40 hợp chất hóa học thoát ra từ nhụy hoa, khuếch tán vào không khí và tìm đến mũi bạn.

Đúng như tên gọi, các hợp chất này được biết đến là hợp chất dễ bay hơi (VOC), thường bao gồm Linalool (một chất phổ biến trong nhiều loại hoa, mang mùi hương tươi mát, ngọt ngào), Methyl salicylate (có mùi hương dễ chịu) và Indol (một hợp chất hữu cơ với mùi ngọt ngào, nồng nàn, đặc trưng của hoa sữa).

Khi các phân tử mùi vào khoang mũi, chúng sẽ gặp một khu vực đặc biệt gọi là biểu mô khứu giác, nằm ở phần trên của khoang mũi. Biểu mô này chứa chất nhầy giúp giữ lại các phân tử mùi, cho phép chúng tiếp xúc với các tế bào cảm nhận mà không bị bay ra ngoài.

Trên bề mặt của các tế bào khứu giác có chứa các protein thụ thể khứu giác. Mỗi loại thụ thể được mã hóa để phản ứng với một hoặc nhóm các phân tử mùi cụ thể. Khi các phân tử mùi gắn kết với thụ thể này, chúng tạo ra sự kích thích trong tế bào khứu giác.

Sự gắn kết của phân tử mùi với thụ thể khứu giác khởi phát một chuỗi phản ứng hóa học bên trong tế bào, dẫn đến việc tạo ra tín hiệu điện (xung động thần kinh). Mỗi mùi hương khác nhau sẽ kích hoạt các thụ thể khứu giác khác nhau hoặc sự kết hợp của nhiều thụ thể khác nhau.

Tín hiệu điện từ các thụ thể khứu giác sẽ di chuyển qua các sợi thần kinh khứu giác và được truyền đến hành khứu giác (bulbus olfactorius), một cấu trúc nhỏ nằm ngay dưới thùy trán của não. Tại đây, các tín hiệu từ nhiều tế bào khứu giác được tập hợp và xử lý ban đầu.

Từ hành khứu giác, các tín hiệu mùi tiếp tục được truyền đến các khu vực khác trong não thông qua các con đường thần kinh khứu giác. Các tín hiệu này được gửi đến nhiều vùng não khác nhau, bao gồm: vỏ não khứu giác và hệ limbic.

Tại vỏ não khứu giác, tín hiệu mùi sẽ được não "giải mã" để nhận diện mùi. Quá trình này bao gồm việc so sánh với các mùi đã được biết hoặc lưu giữ trong trí nhớ. Nếu mùi đã từng trải nghiệm, não sẽ nhanh chóng nhận ra và gán nhãn cho nó (ví dụ: "hương hoa hồng", "mùi cà phê", "mùi hoa sữa"). Nếu là một mùi mới, não sẽ liên kết với cảm giác và phản ứng cụ thể để học biết mùi này.

Tại hệ limbic, vùng não liên quan đến cảm xúc và trí nhớ, tín hiệu mùi sẽ tiếp tục được phân tích để tạo ra các phản hồi dưới dạng cảm giác hoặc hành động. Hệ limbic cho phép chúng ta hồi tưởng các kỷ niệm liên quan đến mùi đó, khơi dậy những ký ức mạnh mẽ hoặc kích hoạt cảm xúc gắn liền với mùi. Nó cũng có thể tạo ra những phản ứng bản năng như bịt mũi, né tránh mùi khó chịu.

Hệ limbic sẽ phản ứng khác nhau tùy vào kỷ niệm và cảm xúc cá nhân của bạn với mùi hoa sữa. Chính vì vậy, có người thích mùi này, nhưng cũng có người lại cảm thấy rất khó chịu.

Khám phá sự phân giải mùi ở từng neuron riêng lẻ

Có thể tóm tắt ngắn gọn quy trình hoạt động của khứu giác như sau: Các phân tử dễ bay hơi từ nguồn phát (VOC) khuếch tán vào mũi. Chúng bị niêm mạc mũi giữ lại, tiếp xúc với các thụ thể khứu giác và kích thích tín hiệu điện truyền về não.

Não bộ sẽ phân tích các tín hiệu điện này tại hành khứu giác, tiếp theo là vỏ não khứu giác, sau đó so sánh chúng với kho dữ liệu ký ức trong hệ limbic, từ đó tạo ra phản ứng cho bạn: có thể thích, ghét, cảm thấy thơm hoặc thấy khó chịu…

Nhưng, liệu đó đã là tất cả câu chuyện hay chưa?

Câu trả lời là: Chưa! Chúng ta mới chỉ bắt đầu khám phá lớp vỏ của quả trứng khứu giác bí ẩn trong bộ não của mình.

Theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học đã phát hiện ra một quá trình mã hóa (coding) mùi ở từng neuron đơn lẻ. Đây là nghiên cứu đầu tiên được thực hiện trên người, khi các nhà khoa học cấy điện cực vào não của 17 tình nguyện viên, những bệnh nhân đang được theo dõi các cơn động kinh trước khi phẫu thuật não.

Trong 27 phiên theo dõi, họ đã cho các tình nguyện viên ngửi nhiều loại mùi khác nhau, từ dễ chịu đến khó chịu như mùi dứa, táo, bạc hà, quế, tỏi, thậm chí cả cá ươn...

Hoạt động của 2.416 tế bào đã được ghi lại trong các phiên đó, cho phép các nhà khoa học xác định chính xác từng neuron nào được kích hoạt bởi các mùi cụ thể.

Họ phát hiện rằng tới 40% tế bào thần kinh phản ứng với mùi nằm trong hành khứu giác, trong khi phần còn lại nằm ở vỏ não khứu giác, hồi hải mã (phần của hệ limbic liên quan đến trí nhớ) và thùy thái dương.

Dù hoạt động của các tế bào thần kinh tại vỏ não khứu giác của bệnh nhân có sự tương đồng, giúp các nhà khoa học có thể dự đoán chính xác mùi hương mà họ ngửi thấy, nhưng hoạt động của tế bào thần kinh ở hồi hải mã và hạch hạnh nhân, vùng liên quan đến cảm xúc, lại khác nhau tùy thuộc vào việc mùi hương đó dễ chịu hay khó chịu.

Điều này một lần nữa chứng tỏ rằng trải nghiệm chủ quan của mỗi người với các mùi hương là khác nhau và dẫn đến những phản ứng khác biệt. Tuy nhiên, có một điểm chung được tìm thấy khi các nhà khoa học khảo sát mối liên hệ giữa cảm nhận mùi hương với hình ảnh và âm thanh của tình nguyện viên.

Chẳng hạn, khi tình nguyện viên được cho ngửi mùi chuối, sau đó xem hình ảnh chuối hoặc chỉ nghe từ "chuối", các nhà nghiên cứu nhận thấy cùng một nhóm tế bào thần kinh được kích hoạt trong cả ba trường hợp.

"Điều này cho thấy vai trò của vỏ não khứu giác ở con người vượt xa việc nhận thức đơn thuần về mùi hương", giáo sư Marc Spehr, đồng tác giả nghiên cứu từ Viện Sinh học II tại Đại học RWTH Aachen, Đức, cho biết.

Đây là nghiên cứu đầu tiên xác định được hoạt động của từng neuron đơn lẻ trong não khi phản ứng với các mùi khác nhau, và nó chỉ được thực hiện với sự đồng ý của các bệnh nhân được cấy điện cực vào não.

So với trước đây, các nghiên cứu về khứu giác chỉ được tiến hành bên trong máy cộng hưởng từ MRI, nơi các nhà nghiên cứu quan sát sự kích hoạt của các vùng não bộ từ bên ngoài hộp sọ của tình nguyện viên, vì vậy không thể đạt độ phân giải cao.

Với những phát hiện mới này, nghiên cứu dự kiến sẽ mở ra những hướng đi ứng dụng đột phá liên quan đến khứu giác của con người. Chẳng hạn, nếu các nhà khoa học xác định được một nhóm tế bào thần kinh cụ thể chịu trách nhiệm cho việc "ngửi" mùi khó chịu, họ có khả năng tìm cách "tắt" chúng mà không ảnh hưởng đến các mùi khác không?

Trong khi nhiều người yêu thích mùi bánh chuối mùa đông Hà Nội, có thể họ lại không muốn ngửi mùi hoa sữa.

Ngoài ra, nghiên cứu này cũng mở ra cánh cửa cho thấy hình ảnh và âm thanh có thể được sử dụng để kích thích cảm giác về mùi.

Điều này gợi ý một công nghệ hỗ trợ dựa trên thính giác và thị giác có khả năng giúp những người gặp khó khăn về khứu giác cảm nhận được mùi, đặc biệt trong bối cảnh hậu đại dịch COVID-19, khi có khoảng 5% bệnh nhân, tương đương hàng triệu người, phải đối mặt với tình trạng mất khứu giác kéo dài từ 6 tháng trở lên, thậm chí vĩnh viễn.