Giới thiệu
Ký ức là yếu tố cơ bản của trải nghiệm con người, định hình danh tính, hướng dẫn quyết định và cho phép chúng ta học hỏi từ quá khứ. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã lâu nay vẫn phải đối mặt với một câu hỏi cơ bản: não bộ làm thế nào để thu nhận những ký ức mới mà không ghi đè hoặc biến dạng những ký ức đã được lưu trữ trước đó? Thách thức này, được gọi là “quên thảm họa”, đề cập đến hiện tượng mà việc đưa ra thông tin mới có thể khiến những ký ức cũ bị mất hoặc hỏng. Một nghiên cứu đột phá gần đây đã cung cấp những hiểu biết mới về chiến lược của não để bảo tồn ký ức thông qua vai trò riêng biệt của các giai đoạn ngủ khác nhau.
Quên thảm họa: Một vấn đề về ký ức
Trong cả thần kinh học và trí tuệ nhân tạo, quên thảm họa đều là một rào cản lớn. Khi những trải nghiệm và ký ức mới được mã hóa, chúng có thể gây nhiễu hoặc ghi đè lên các biểu diễn thần kinh của ký ức cũ. Sự nhiễu loạn này sẽ gây hại cho khả năng học hỏi liên tục và thích nghi với môi trường của sinh vật. Hiểu rõ cách não sinh học tránh tình trạng này có thể không chỉ hỗ trợ thần kinh học mà còn thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống học tập nhân tạo bền bỉ hơn.
Sự đột phá khoa học: Xử lý ký ức trong các giai đoạn ngủ
Được công bố vào tháng 1 năm 2025 trên tạp chí Nature, một nhóm nghiên cứu do các nhà thần kinh học dẫn đầu đã huấn luyện chuột biến đổi gen trong một nhiệm vụ ký ức và nghiên cứu cách não của chúng xử lý ký ức trong khi ngủ. Các nghiên cứu trước đây đã xác định rằng trong quá trình ngủ, đặc biệt là trong giai đoạn sâu hoặc không có REM, não “lặp lại” các trải nghiệm gần đây bằng cách kích hoạt các nơron liên quan đến những trải nghiệm đó theo một trình tự tương tự. Việc lặp lại này được cho là củng cố ký ức, chuyển chúng từ bộ nhớ ngắn hạn sang dài hạn.
Dựa trên điều này, nhóm nghiên cứu đã tận dụng một đặc điểm độc đáo của chuột: mắt của chúng mở một phần trong một số giai đoạn ngủ. Bằng cách theo dõi liên tục kích thước đồng tử của một mắt, họ đã xác định các thay đổi chu kỳ trong giai đoạn ngủ sâu — chuyển đổi khoảng mỗi phút giữa trạng thái đồng tử thu hẹp (nhỏ) và đồng tử giãn rộng (lớn). Điều thú vị là, các ghi âm hoạt động nơron cho thấy việc lặp lại các trải nghiệm gần đây chủ yếu xảy ra trong giai đoạn đồng tử nhỏ.
Để kiểm tra xem các giai đoạn kích thước đồng tử khác nhau có tương ứng với các hoạt động xử lý ký ức khác nhau hay không, các nhà khoa học đã sử dụng optogenetics — một kỹ thuật tiên tiến cho phép họ kiểm soát chính xác các nơron biến đổi gen bằng ánh sáng. Họ huấn luyện chuột tìm một món ăn ngọt ẩn trên một nền tảng và sau đó giảm hoạt động của các nơron liên quan đến việc lặp lại trong giai đoạn đồng tử nhỏ hoặc lớn ngay sau khi huấn luyện.
Kết quả: Giai đoạn đồng tử nhỏ củng cố ký ức mới
Khi việc lặp lại nơron trong giai đoạn đồng tử nhỏ bị ức chế, chuột hoàn toàn quên vị trí của phần thưởng khi thức dậy, cho thấy rằng giai đoạn này rất quan trọng để tích hợp các ký ức vừa thu được. Đồng tác giả Dr. Wenbo Tang từ Đại học Cornell mô tả điều này như “xóa ký ức” của chúng.
Ngược lại, việc ức chế hoạt động nơron trong giai đoạn đồng tử lớn không ảnh hưởng đến ký ức về vị trí phần thưởng mới học. Chuột đã điều hướng trực tiếp đến món ăn, chứng minh rằng giai đoạn ngủ này không cần thiết để củng cố ký ức mới.
Giai đoạn đồng tử lớn bảo tồn ký ức cũ
Các thí nghiệm thêm cho thấy giai đoạn đồng tử lớn xử lý các ký ức cũ, đã được thiết lập từ nhiều ngày trước, thay vì các ký ức thu được vào ngày ngủ. Như Azahara Oliva, một nhà vật lý tại Đại học Cornell và đồng tác giả khác, tóm tắt, “Trong trạng thái đồng tử lớn, não bảo tồn các ký ức sớm hơn, trong khi ở trạng thái đồng tử nhỏ, nó tích hợp các ký ức mới.”
Hệ thống hai giai đoạn này cung cấp một cơ chế sinh học hợp lý để ngăn chặn việc tích hợp ký ức mới làm hỏng kiến thức đã được lưu trữ trước đó — một giải pháp tinh tế cho quên thảm họa.
Nhận xét chuyên gia và ý nghĩa tiến hóa
György Buzsáki, một nhà thần kinh học hệ thống nổi tiếng tại Đại học New York, người không tham gia vào nghiên cứu nhưng đã hướng dẫn các thành viên trong nhóm nghiên cứu, bày tỏ niềm tin mạnh mẽ rằng cơ chế này vượt xa chuột, có thể tồn tại ở con người. Ông nhấn mạnh rằng ký ức là một hệ thống cổ xưa về mặt tiến hóa, gợi ý rằng việc phân chia xử lý ký ức qua các giai đoạn ngủ là một chiến lược được bảo tồn.
Maksim Bazhenov của Đại học California, San Diego, nhấn mạnh ý nghĩa của nghiên cứu này trong việc chứng minh rằng não tách biệt thời gian xử lý ký ức mới và cũ để tránh nhiễu và nhầm lẫn.
Tác động đối với trí tuệ nhân tạo
Quên thảm họa không giới hạn ở não sinh học; nó cũng gây khó khăn cho các mạng nơron nhân tạo hỗ trợ nhiều hệ thống AI hiện đại. Các thuật toán này gặp khó khăn trong việc học các nhiệm vụ mới mà không mất thông tin từ quá trình huấn luyện trước. Hiểu rõ cách não tránh vấn đề này một cách tinh tế có thể truyền cảm hứng cho các thuật toán AI sáng tạo, duy trì kiến thức đã học đồng thời tích hợp dữ liệu mới hiệu quả hơn.
Mô phỏng trường hợp: Thách thức học tập của Sarah
Hãy nghĩ đến Sarah, một sinh viên y khoa gặp khó khăn trong việc ghi nhớ lượng lớn thông tin mới mà không quên nội dung cũ. Những hiểu biết từ nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của giấc ngủ trong việc bảo tồn kiến thức cũ của cô ấy trong khi tiếp thu các khái niệm mới. Khuyến khích Sarah duy trì giấc ngủ chất lượng và ổn định có thể hỗ trợ quá trình xử lý ký ức tự nhiên của não cô, giảm thiểu sự can thiệp giữa các ký ức cũ và mới.
Kết luận
Nghiên cứu này làm sáng tỏ một cơ chế ký ức cơ bản: việc phân chia xử lý ký ức mới và cũ vào các giai đoạn ngủ khác nhau. Bằng cách cho thấy rằng chuột xử lý ký ức vừa thu được trong giai đoạn đồng tử nhỏ và ký ức cũ trong giai đoạn đồng tử lớn, các nhà thần kinh học đã xác định cách não tự nhiên tránh quên thảm họa. Phát hiện này nâng cao hiểu biết của chúng ta về việc củng cố ký ức và vai trò quan trọng của giấc ngủ, mở đường cho những tiến bộ trong việc giải quyết các rối loạn ký ức và cải thiện các thuật toán học tập AI.
Tài liệu tham khảo
Watson T. Tại sao những ký ức mới không ghi đè lên những ký ức cũ? Khoa học giấc ngủ giữ những manh mối. Nature. 2025 Jan;637(8046):524-525. doi:10.1038/d41586-024-04232-1. PMID: 39762380.
