CHƯƠNG 2 CƠ SỞ SINH LÝ CỦA TÂM LÝ HỌC NHẬN THỨC Mục đích chương 2 Hiểu cơ sở sinh lý của tri giác, chú ý, trí nhớ, ngôn ngữ, ra quyết định, giải quyết vấn đề. Mô tả chức năng của hệ thần kinh và những phương pháp mà những nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu cơ sở sinh lý của nhận thức. 1
Khoa học thần kinh nhận thức (Cognitive neuroscience)? là lĩnh vực nghiên cứu liên kết não và những khía cạnh khác của hệ thần kinh với quá trình nhận thức, và cuối cùng là đến hành vi. Não là một cơ quan của cơ thể điều khiển trực tiếp những suy nghĩ, cảm xúc và động lực của chúng ta (Gloor, 1997; Rockland, 2000; Shepherd, 1998). 2
NÃO TRƯỚC (THE FOREBRAIN) Gồm: Vỏ não Hạch nền (Basal ganglia) Hệ viền (limbic system) Đồi thị (thalamus) Vùng dưới đồi (hypothalamus) 3
Vỏ não Bề mặt não dày 1-3mm Lớp mỏng nơron chứa những cơ chế chịu trách nhiệm cho hầu hết những chức năng tinh thần như là tri giác, ngôn ngữ, suy nghĩ, và giải quyết vấn đề. Khối lượng của não người đã hơn gấp đôi cách đây 2 ngàn năm, cho phép mở rộng não, và đặc biệt là vỏ não (Toro và cs, 2008). Vỏ não Gồm: bán cầu não trái và bán cầu não phải Mỗi bán cầu não chuyên môn hóa cho những loại hành vi khác nhau. Thông tin chuyển giao đối bên (contralateral) và chuyển giao một phía (ipsilateral) cùng một bên. Ví dụ: thông tin mùi từ bên mũi phải đến não phải trước; một nửa thông tin từ mắt phải đến bên não phải, và một nữa chuyển đến não trái. 4
Vỏ não Thể chai (corpus callosum) là một khối dày đặc những thớ thần kinh kết nối hai bán cầu não Nếu thể chai bị cắt, hai bán cầu não không thể kết nối với nhau (Glickstein & Berlucchi, 2008). Vỏ não có 4 thùy: Thùy trán (the frontal lobe) Thùy đỉnh (the parietal lobe) Thùy thái dương (temporal lobe) Thùy chẩm (the occipital lobe) 5
Nơi những tín hiệu nhận được từ hệ thống xúc giác và nơi cũng quan trọng cho thị giác và chú ý. Nơi đầu tiên trong vỏ não nhận được thông tin thị giác. Ngôn ngữ, trí nhớ và chức năng cơ vận động. Ngôn ngữ, trí nhớ, nghe, và nhìn Tổn thương Thùy trán làm giảm suy nghĩ Tổn thương phần trước thùy trán (the prefrontal cortex - PFC) gặp khó khăn trong thực hiện một số các chức năng quan trọng cho giải quyết vấn đề và lập luận. Sự tồn lưu (perseveration) - khó khăn trong việc chuyển từ một kiểu hành vi này sang hành vi khác (Hauser, 1999; Munakata và cs, 2003). Bệnh nhân khó khăn khi giải quyết những vấn đề phức tạp khi xem xét một giải pháp có thể thay thế cho một giải pháp khác nếu cái đầu tiên không hiệu quả. 6
Hạch nền Gồm những nơron quyết định cho chức năng vận động. Rối loạn chức năng của hạch nền có thể dẫn đến thiếu hụt vận động: các chứng rung, cử động không chủ ý, thay đổi dáng điệu và trương lực cơ và vận động chậm chạp. Có ở bệnh Parkinson và bệnh Huntington, đều có những triệu chứng vận động (Rockland, 2000; Lerner & Riley, 2008; Lewis & Barker, 2009). Hệ viền Quan trọng cho cảm xúc, động lực, trí nhớ và học tập. Cho phép chúng ta ngăn chặn những phản ứng bản năng Giúp chúng ta thích nghi và phản ứng linh hoạt với sự thay đổi môi trường xung quanh. Gồm 3 trung tâm nối liền nhau: Vách ngăn Hạch hạnh nhân Hồi hải mã. 7
Vách ngăn và hạch hạnh nhân Vách ngăn liên quan đến tức giận và sợ hãi. Hạch hạnh nhân đóng vai trò quan trọng về cảm xúc, đặc biệt là tức giận và gây hấn (Adolphs, 2003; Derntl và cs, 2009). Kích thích vào hạch hạnh nhân thường dẫn đến sợ hãi. Tổn thương hoặc loại bỏ hạch hạnh nhân có thể dẫn đến thiếu thích nghi không tốt với sự sợ hãi. Trong trường hợp tổn thương ở não động vật, động vật tiếp cận với những vật nguy hiểm tiềm tàng mà không do dự hoặc sợ hãi (Adolphs và cs, 1994; Frackowiak và cs, 1997). Hồi hải mã Đóng vai trò cốt yếu trong hình thành trí nhớ. Cần thiết cho việc học và xem xét mối quan hệ giữa những dữ liệu đã học cũng như trí nhớ không gian (Eichenbaum, 1997; Squire, 1992). 8
Đồi thị Tiếp thu những thông tin cảm giác đi vào thông qua những nhóm nơ ron thích hợp ở những vùng trên vỏ não. Hầu hết những thông tin cảm giác đi vào não thông qua đồi thị Đồi thị cũng giúp điều khiển ngủ và thức. Khi đồi thị bị rối loạn chức năng, có thể dẫn đến đau, rung, chứng quên, suy giảm ngôn ngữ và trì trệ thức và ngủ (Rockland, 2000; Steriade, Jones & McCormick, 1997). Vùng dưới đồi Kiểm soát hành vi liên quan đến sự sống còn: chiến đấu, ăn, chạy trốn và giao phối. Kích hoạt kiểm soát các cảm xúc và phản ứng lại với stress (Malsbury, 2003). Đóng vai trò quan trọng trong việc ngủ: chứng ngủ rũ (narcolepsy) - một người buồn ngủ thường xuyên và không thể đoán thời gian (Lodi và cs, 2004; Mignot, Taheri & Nishino, 2002). Đóng vai trò quan trọng cho chức năng hệ nội tiết (kích thích tuyến yên và giải phóng các hormone) 9
Não giữa (the Midbrain) Não giữa giúp điều khiển vận động mắt và phối hợp. Hệ lưới hoạt hóa là một hệ thống nơron thiết yếu để điều chỉnh tình trạng tỉnh táo (ngủ, sự tỉnh táo; đánh thức; sự chú ý vào một vài phạm vi, và chức năng sống như là nhịp tim và thở; Sarter, Bruno & Berntson, 2003). Não sau (the Hindbrain) Tiểu não: Cần thiết để cân bằng, phối hợp và trương lực cơ. Học cầu: Liên quan đến tình trạng tỉnh táo (ngủ và đánh thức); chuyển hóa thần kinh từ phần này qua phần khác trên não; liên quan đến dây thần kinh mặt. Hành não: liên quan đến chức năng tim mạch và hô hấp, tiêu hóa và nuốt. 10
Nơron Não được tạo ra từ hàng tỉ tế bào nơron Kỹ thuật nhuộm mô não được phát minh từ thế kỷ 19 giúp tăng sự phân biệt khác nhau giữa các mô trong não. Mạng thần kinh (nerve net): là một đường liên tục, phức tạp Kính hiển vi và kỹ thuật nhuộm thời đó không cho phép phân tích những chi tiết nhỏ Nơron 11
Nơron 1870s, một nhà giải phẫu Camillo Golgi phát triển một kỹ thuật nhuộm: nhúng một mô não mỏng vào một dung dịch bạc nitrat phân biệt tế bào này ra khỏi mô Nơron Ramon y Cajal, một nhà TLH người Tây Ban Nha, ông quan tâm đến khám phá bản chất của nerve net. Ông kết hợp kỹ thuật nhuộm của Golgi + nghiên cứu trên não của động vật mới sinh (mật độ tế bào nhỏ hơn). Những nơ ron là những đơn vị riêng lẻ (Kandel, 2006). là yếu tố cơ bản, trung tâm của thuyết tế bào thần kinh (neuron doctrine) 12
Nơron Thuyết tế bào thần kinh (neuron doctrine): Những tế bào đơn lẻ chuyển tín hiệu trong hệ thần kinh Những tế bào đó không liên tục với tế bào khác như thuyết mạng lưới thần kinh (nerve net) Nơron Thân (cell body): có cơ chế giữ cho TB sống Đuôi gai (dendrite): nhận tín hiệu từ nơron khác Sợi trục (axon): chứa chất lỏng dẫn tín hiệu điện 13
Nơron Cajal đưa ra kết luận: (1) ngoài hệ TK trên não, tất cả những nơron bắt thông tin từ môi trường (TBTK trên da, mắt, tai) cơ quan nhận cảm (receptors). Nơron (2) Với tất cả các nơron, có một khoảng cách nhỏ giữa kết thúc sợi trục nơron và đuôi gai hoặc thân TB với nơron khác synapse 14
Nơron (3) Nơron không kết nối bừa bãi với nơron khác, chỉ kết nối với nơron riêng biệt. Những nơron thường kết nối với nhau gọi là mạch thần kinh (neural circuits) Tất cả những khám phá của Cajal đơn vị nơron, synapse, mạch thần kinh là những yếu tố cơ bản để dùng giải thích não tạo nên sự nhận thức như thế nào Cajal giành giải Nobel năm 1906. NHỮNG NƠRON TỔ CHỨC THÀNH CÁC CHỨC NĂNG 15
Chức năng khu biệt Những vùng riêng biệt trên não phục vụ cho những chức năng khác nhau. Chức năng khu biệt (localization of function). Những khu vực não được chuyên môn hóa cho những chức năng đặc trưng được gọi là những đơn vị (modules). VÙNG BÊN DƯỚI THÙY THÁI DƯƠNG (IT) Những nghiên cứu kết luận rằng vùng bên dưới thùy thái dương (inferotemporal (IT) cortex) là đơn vị hình thành tri giác (perception). Những người chịu tổn thương vùng này và một số vùng bao quanh thì có khó khăn trong việc nhận ra sự vật. 16
VÙNG BÊN DƯỚI THÙY THÁI DƯƠNG (IT) (a) Những hình học phức tạp; (b) những sự vật thông thường trong môi trường; (c) khuôn mặt Bên dưới thùy thái dương (Inferotemporal (IT) cortex) 17
CHỨNG MÙ KHẢ NĂNG NHẬN DIỆN (PROSPAGNOSIA) Chứng mù khả năng nhận diện là một chứng bệnh làm con người không thể nhận diện được những khuôn mặt quen thuộc. Một người có chứng này không có khả năng nhận ra người bạn thân, những thành viên của họ trong gia đình và thậm chí hình ảnh của họ trong gương (Burton và cs, 1991). Trường hợp của bệnh nhân Jenny (Mỹ) Không chỉ có vùng IT này hình thành tri giác. Khả năng nhận thức của chúng ta liên quan đến nhiều vùng trên não. Vùng trung gian thùy thái dương (MT) Vùng trung gian thùy thái dương (medial temporal (MT) area): là ví dụ cho đơn vị được chuyên môn hóa cho tri giác thị giác chuyển động (perceiving visual movement) Những nơron chính trong vùng này phản ứng với kích thích chuyển động Bị tổn thương vùng này ảnh hưởng đến tri giác vận động (motor perception). 18
Trung gian thùy thái dương (medial temporal (MT) area) Ví dụ trường hợp Một người phụ nữ 43 tuổi bị một cơn đột quỵ phá hủy vùng này, bị mất khả năng tri giác chuyển động. Bà rất khó khăn khi rót trà hay caffe vào tách Bà cũng khó khăn khi theo dõi cuộc đối thoại bởi vì bà không thể thấy chuyển động trên mặt và miệng của người nói (Zihl và cs, 1983, 1991) 19
Vùng ngôn ngữ Vùng Broca nằm ở thùy trán. Phá hủy vùng này gây nên gây nên chứng mất ngôn ngữ Broca (Broca s aphasia), người này rất khó khăn nói. Không dùng được môi, lưỡi và miệng để tạo ra ngôn ngữ, không có khả năng xử lý ngôn ngữ. Trường hợp người đàn ông 30 tuổi bị phá hủy vùng Broca do đột quỵ, bị nói lắp bắp. Anh ta có khả năng hiểu ngôn ngữ nhưng không thể đưa những suy nghĩ của mình thành lời (Gardner, 1974) 20
Vùng ngôn ngữ 1879, Carl Wernicke nghiên cứu một nhóm bệnh nhân khác Những người bị tổn thương ở một vùng ở thùy thái dương gọi là Vùng Wernicke. Lời nói của họ trôi chảy và đúng ngữ pháp, nhưng có xu hướng bị rời rạc. Những bệnh nhân như vậy không chỉ có lời nói vô nghĩa, nhưng không thể hiểu lời nói và viết. Chứng mất ngôn ngữ Wernicke (Wernicke s aphasia) 21
Các phương pháp nghiên cứu não con người Nghiên cứu khám nghiệm tử thi (postmortem) Nghiên cứu trong cơ thể sống (in vivo techniques) Con người Động vật NGHIÊN CỨU KHÁM NGHIỆM TỬ THI (POSTMORTEM STUDIES) Nhà nghiên cứu chú ý cẩn thận đến hành vi của những người có dấu hiệu tổn thương não khi họ còn sống (Wilson, 2003). Những ghi chép của nhà nghiên cứu hành vi trên các trường hợp bệnh nhân càng kỹ lưỡng càng tốt (Fawcett, Rosser & Dunnerr, 2001). Sau khi họ chết, các nhà nghiên cứu kiểm tra tỉ mỉ những vùng tổn thương não của họ. 22
NGHIÊN CỨU KHÁM NGHIỆM TỬ THI (POSTMORTEM STUDIES) Những nhà nghiên cứu phát hiện ra mối liên hệ giữa một loạt hành vi quan sát được và sự dị thường trong một vùng nào đó trên não. Ví dụ như bệnh nhân của Paul Broca (1824 1880) có vấn đề về nói, bệnh nhân Alzheimer dẫn đến nghiên cứu nhận dạng một số cấu trúc não liên quan đến trí nhớ (đồi hải mã). Kỹ thuật này cung cấp những cơ sở căn bản để hiểu mối quan hệ giữa não và hành vi, bị giới hạn. Chúng không cung cấp một quá trình sinh học cụ thể ở trong não. NGHIÊN CỨU TRÊN CƠ THỂ SỐNG Động vật Con người 23
NGHIÊN CỨU TRÊN ĐỘNG VẬT (ANIMAL STIDIES) Nhiều kỹ thuật nghiên cứu trên cơ thể sống được thực hiện dành riêng trên động vật Ví dụ: Giải Nobel giành chiến thắng là nghiên cứu tri giác thị giác nghiên cứu trên cơ thể sống, khám phá hoạt động điện của TB đơn lẻ trên những vùng đặc biệt trên não động vật (Hubel & Wiesel, 1963, 1968, 1979) Một vi điện tử rất nhỏ được đưa vào một nơron đơn lẻ và đưa vào não động vật thu những thay đổi về hoạt động điện xuất hiện bên trong TB đó. NGHIÊN CỨU TRÊN ĐỘNG VẬT (ANIMAL STIDIES) Những nghiên cứu trên động vật liên quan đến các tổn thương giải phẫu loại bỏ hoặc làm tổn thương một phần não để quan sát sự thiếu hụt chức năng (Al bertin, Mulder & Wiener, 2003; Mohammed, Jonsson & Archer, 1986). Kỹ thuật như vậy không thể sử dụng trên người. Không thể thu được những hoạt động của mọi nơron. Tính khái quát dựa trên những nghiên cứu như vậy bị hạn chế. 24
NGHIÊN CỨU TRÊN CƠ THỂ SỐNG Động vật Con người ĐIỆN THẾ GÂY NÊN (EVENT RELATED POTENTIAL - ERP) Điện thế gây nên (ERP) là một phản ứng của hàng ngàn nơron với những kích thích hoặc sự kiện riêng biệt. Phản ứng đó được ghi lại với những điện cực dẹt đặt trên da đầu của con người. 25
ĐIỆN THẾ GÂY NÊN (EVENT RELATED POTENTIAL) Một người đang mang một mũ điện cực chứa 129 điện cực. Mỗi điện cực ghi lại hoạt động từ hàng ngàn nơ ron nằm ở gần điện cực. Khi một kích thích xuất hiện, những điện cực ghi lại những thay đổi điện áp trong não. ĐIỆN THẾ GÂY NÊN (ERP - EVENT RELATED POTENTIAL) Đặc tính làm cho ERP có giá trị đặc biệt cho TLH nhận thức là những thành tố khác nhau của phản ứng cho thấy những mặt khác nhau của quá trình nhận thức. Vị trí trên da đầu của những điện cực nhận được phản ứng rộng nhất cung cấp sự ước lượng về nơi mà hoạt động xuất hiện trên não. 26
ĐIỆN THẾ GÂY NÊN (ERP) Sự thay đổi kích thước của phản ứng ERP với từ không phù hợp với nghĩa của câu. ERP nói cho chúng ta biết khi nào hoạt động nhận thức đặc biệt xuất hiện. CHỤP ẢNH NÃO (BRAIN IMAGING) Cho phép chúng ta xác định những vùng trên não hoạt động khi con người thực hiện những nhiệm vụ nhận thức khác nhau. Kỹ thuật PET Cộng hưởng từ chức năng (Functional magnetic resonance imaging fmri) Kích thích từ trường xuyên sọ (Transcranial magnetic stimulation TMS) Phương pháp từ não đồ (Magnetoencephalography MEG) 27
Kỹ thuật PET Kỹ thuật PET (positron emission tomography - Kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp nhờ phát xạ positron) được giới thiệu vào thập niên 1970. Lưu lượng máu tăng ở những vùng não hoạt động do một nhiệm vụ nhận thức nào đó. Một lượng chất phóng xạ được tiêm vào máu người, não người đó được quét bằng dụng cụ PET để đo tín hiệu từ chất chuyển hóa trong mỗi vị trí trên não. KỸ THUẬT PET PET giúp xác định những vùng trên não đang hoạt động với những kích thích hoặc nhiệm vụ riêng biệt. Nhà nghiên cứu sử dụng kỹ thuật tính trừ (subtraction technique) Hoạt động chuẩn (baseline activity) được đo đầu tiên khi một người thực hiện nhiệm vụ điều khiển. Sau đó hoạt động kích thích (stimulation activity) được đo khi một người thực hiện nhiệm vụ mục tiêu. 28
KỸ THUẬT PET Thí nghiệm của Steven Peterson và cs (1988): xác định những vùng nào trên não hoạt động khi nói một từ. B1: Xác định những vùng trên não hoạt động khi một người thấy một từ chiếu trên màn hình cung cấp sự đo lường về hoạt động chuẩn. (hoạt động chuẩn) B2: Xác định những vùng nào trên não hoạt động khi một người thấy một từ và sau đó nói từ đó (hoạt động kích thích) Sau đó xác định bằng cách lấy hoạt động kích thích trừ đi hoạt động chuẩn. 29
CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG (FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FMRI) fmri dựa trên đo lường lưu lượng máu. Lợi thế của fmri là có thể đo lường lưu lượng máu mà không cần tiêm chất phóng xạ. Nó được thực hiện bằng cách sử dụng chất hemoglobin đưa oxy vào trong máu, có chứa một phân tử sắt vì thế có thuộc tính từ. Nếu vùng từ xuất hiện trong não, những phân tử hemoglobin giống như những nam châm tí xíu. Ở những vùng hoạt động cao của não làm mất đi nhiều oxy tăng phản ứng của hemoglobin những phân tử phản ứng mạnh hơn ở vùng đó. CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG (FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FMRI) 30
CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG (FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FMRI) CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG (FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FMRI) 31
CỘNG HƯỞNG TỪ CHỨC NĂNG (FUNCTIONAL MAGNETIC RESONANCE IMAGING FMRI) Dụng cụ fmri xác định mối quan hệ giữa hoạt động của những vùng khác nhau trên não bằng cách phát hiện ra sự thay đổi trong phản ứng từ của hemoglobin. Kỹ thuật trừ đi (dùng trong PET) cũng được sử dụng cho fmri. fmri không yêu cầu chất phóng xạ và nó chính xác hơn KÍCH THÍCH TỪ TRƯỜNG XUYÊN SỌ (TRANSCRANIAL MAGNETIC STIMULATION TMS) Gây cản trở tạm thời hoạt động thông thường của não ở một vị trí hạn chế mô phỏng những thương tích trên não hoặc kích thích vùng não. TMS yêu cầu đặt một cuộn lên đầu 1 người và sau đó cho một dòng điện đi qua nó. Dòng điện tạo ra một vùng từ, gây cản trở một vùng nhỏ bên dưới nó. Nhà nghiên cứu có thể thấy chức năng nhận thức khi một vùng riêng biệt bị cản trở. Ưu: kiểm tra mối quan hệ nhân quả vì hoạt động não trong vùng riêng biệt bị cản trở và ảnh hưởng việc thực hiện nhiệm vụ nào đó có thể quan sát được. 32
Phương pháp từ não đồ (Magnetoencephalography MEG) Đo lường những hành vi của não bên ngoài đầu bằng cách bắt lấy những vùng từ trường phát ra bằng cách thay đổi hoạt động não. Kỹ thuật này cho phép những vùng chuyên biệt trên não báo hiệu có thể biết những vùng khác nhau của não làm gì trong những thời gian khác nhau Đây là một trong những phương pháp đo lường chính xác nhất. MEG được sử dụng giúp nhà phẫu thuật xác định những cấu trúc không hợp lý (bệnh) ở trên não (Baumgartner, 2000). 33
Phương pháp từ não đồ (Magnetoencephalography MEG) MEG có thể dùng để kiểm tra những thay đổi hoạt động não trước, trong và sau khi kích thích điện. Áp dụng gần đây của MEG là những bệnh nhân được cho biết là đau chi ma. Khi những vùng riêng biệt trong não được kích thích, chứng này bị hạn chế. 34
TỔN THƯƠNG NÃO (BRAIN LESIONING) Cách khác để xác định chức năng của một vùng riêng biệt trên não bằng cách xác định việc loại bỏ một vùng ảnh hưởng đến hành vi như thế nào. Kỹ thuật tổn thương não hiếm khi được sử dụng trên người. Trường hợp của bệnh nhân H.M, hồi hải mã và một vài vùng xung quanh bị loại bỏ để giúp loại bỏ chứng động kinh. Kết quả phẫu thuật làm giảm chứng co giật nhưng cũng làm ảnh hưởng đến khả năng thành lập trí nhớ mới của anh ta (Scoville & Milner, 1957) Nghiên cứu về trường hợp H.M dạy cho chúng ta biết nhiều điều về vai trò của đồi hải mã đối với trí nhớ. 35