Trong những thập kỷ gần đây, khoa học thần kinh đã chứng kiến ​​một số tiến bộ đáng kinh ngạc, tuy nhiên một phần quan trọng của bộ não vẫn còn là một bí ẩn. Tôi đang đề cập đến tiểu não, được đặt tên theo tiếng Latin có nghĩa là “bộ não nhỏ”, nằm giống như một chiếc bánh bao ở phía sau não. Đây không phải là sự sơ suất nhỏ: Tiểu não chứa 3/4 tổng số tế bào thần kinh của não, được sắp xếp theo một trật tự gần như tinh thể, trái ngược với đám tế bào thần kinh rối rắm được tìm thấy ở những nơi khác.

bài viết bách khoa toàn thư và sách giáo khoa nhấn mạnh thực tế rằng chức năng của tiểu não là kiểm soát chuyển động của cơ thể. Không có nghi ngờ rằng tiểu não có chức năng này. Nhưng các nhà khoa học hiện nay nghi ngờ rằng quan điểm lâu đời này là thiển cận.

Hoặc tôi đã biết được điều đó vào tháng 11 ở Washington, DC, khi đang tham dự khóa học Hội nghị thường niên của Hội khoa học thần kinh, cuộc họp lớn nhất của các nhà thần kinh học trên thế giới. Ở đó, hai nhà khoa học thần kinh đã tổ chức một hội nghị chuyên đề về các chức năng mới được phát hiện của tiểu não không liên quan đến điều khiển vận động. Các kỹ thuật thử nghiệm mới đang cho thấy rằng ngoài việc kiểm soát chuyển động, tiểu não còn điều chỉnh các hành vi phức tạp, tương tác xã hội, gây hấn, trí nhớ làm việc, học tập, cảm xúc và hơn thế nữa.

Một vết nứt trong trí tuệ thống trị

Mối liên hệ giữa tiểu não và chuyển động đã được biết đến từ thế kỷ 19. Những bệnh nhân bị chấn thương vùng não rõ ràng gặp khó khăn trong việc giữ thăng bằng và vận động, điều này không còn nghi ngờ gì nữa rằng điều đó rất quan trọng trong việc phối hợp chuyển động. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học thần kinh đã phát triển sự hiểu biết chi tiết về cách mạch thần kinh độc đáo của tiểu não điều khiển chức năng vận động. Lời giải thích về cách thức hoạt động của tiểu não có vẻ chặt chẽ.

Sau đó, vào năm 1998, trên tạp chí Brain, các nhà thần kinh học báo cáo về khuyết tật về cảm xúc và nhận thức trên phạm vi rộng ở bệnh nhân bị tổn thương tiểu não. Ví dụ, năm 1991, một nữ sinh viên đại học 22 tuổi bị ngã khi trượt băng; kết quả chụp CT cho thấy một khối u ở tiểu não của cô ấy. Sau khi phẫu thuật cắt bỏ nó, cô ấy là một người hoàn toàn khác. Cô sinh viên đại học thông minh này đã mất khả năng viết thành thạo, tính nhẩm, gọi tên các đồ vật thông thường hoặc sao chép một sơ đồ đơn giản. Tâm trạng của cô sa sút. Cô trốn trong chăn và cư xử không đúng mực, cởi quần áo ở hành lang và nói chuyện kiểu trẻ con. Các tương tác xã hội của cô, bao gồm cả việc nhận ra khuôn mặt quen thuộc, cũng bị suy giảm.

Trường hợp này và các trường hợp tương tự làm các tác giả bối rối. Những chức năng nhận thức và cảm xúc cấp cao này được hiểu là nằm ở vỏ não và hệ thống limbic. Họ kết luận: “Vai trò chính xác của tiểu não là gì và tiểu não thực hiện vai trò đó như thế nào vẫn chưa được xác định”.

Bất chấp những manh mối từ các nghiên cứu lâm sàng cho thấy sự hiểu biết thông thường đã đi sai hướng, các nhà chức trách hàng đầu vẫn nhấn mạnh rằng chức năng của tiểu não là kiểm soát chuyển động và không có gì hơn thế. “Thật đáng buồn vì đã 20 năm trôi qua [kể từ khi những trường hợp này được báo cáo],” ông nói. Diasynou Fioravante, một nhà sinh lý học thần kinh tại Đại học California, Davis, người đồng tổ chức hội nghị chuyên đề.

Nhà thần kinh học này cho biết các nhà thần kinh học khác đã nhận thấy những khiếm khuyết về tâm thần kinh ở bệnh nhân của họ. Stephanie Rudolph của Đại học Y khoa Albert Einstein, người đồng tổ chức hội nghị chuyên đề với Fioravante. Tuy nhiên, không có bằng chứng giải phẫu rõ ràng nào cho thấy mạch thần kinh đặc biệt của tiểu não có thể điều chỉnh các chức năng tâm lý và cảm xúc được báo cáo như thế nào, vì vậy các báo cáo lâm sàng đã bị bỏ qua.

Giờ đây, sự hiểu biết tốt hơn về mạch điện của tiểu não đang chứng minh những nghiên cứu điển hình đó là đúng và kiến ​​thức chủ đạo là sai.

Dây chính xác

Sản phẩm mô hình dây điện trong tiểu não được tổ chức và nén một cách chính xác để tập trung 4/XNUMX số tế bào thần kinh của não vào một thùy XNUMX inch. Loại tế bào thần kinh chính trong tiểu não, được gọi là tế bào Purkinje, phân nhánh rộng rãi như san hô hình quạt, nhưng dẹt và gần như hai chiều. Cánh quạt là sợi nhánh của tế bào thần kinh, nhận tín hiệu đến. Những tế bào thần kinh phẳng này được sắp xếp song song, như thể hàng triệu san hô hình quạt được xếp chồng lên nhau thành một bó chặt chẽ. Hàng ngàn tế bào thần kinh nhỏ bé chạy các sợi trục - dây cáp truyền xung điện của não - vuông góc qua chồng sợi nhánh, giống như những sợi chỉ trong khung cửi. Mỗi sợi trục kết nối với các sợi nhánh của hàng chục nghìn tế bào Purkinje.

Mức độ kết nối này mang lại cho 50 tỷ tế bào thần kinh của tiểu não khả năng tích hợp đáng kinh ngạc. Mạch điện này, duy nhất có ở tiểu não, có thể xử lý một lượng lớn dữ liệu đến từ các giác quan để điều chỉnh chuyển động của cơ thể. Chuyển động uyển chuyển của một nữ diễn viên ba lê nhảy qua sân khấu đòi hỏi tiểu não phải xử lý nhanh chóng thông tin từ mọi giác quan trong khi theo dõi các vị trí thay đổi của các chi, duy trì thăng bằng và lập bản đồ không gian mà cơ thể đang chuyển động. Tiểu não sử dụng thông tin động đó để điều khiển các cơ theo thời gian chính xác và làm như vậy trong bối cảnh xã hội phù hợp, được thúc đẩy bởi cảm xúc và động lực.

Fioravante và Rudolph nói với tôi rằng các nhà khoa học thần kinh hiện đang nhận ra rằng mạch thần kinh mạnh mẽ trong tiểu não tích hợp thông tin về chuyển động của cơ thể cũng trang bị cho nó khả năng xử lý các quá trình và hành vi tâm thần phức tạp.

“Ví dụ, ngay bây giờ,” Rudolph giải thích khi chúng tôi nói chuyện trước khi hội nghị chuyên đề bắt đầu, “bạn đặt câu hỏi và chúng tôi đưa ra câu trả lời. Đó là một hành vi phức tạp.” Cô ấy cần hiểu lời nói của tôi, hình thành câu trả lời và sau đó sử dụng cơ bắp để tạo ra từ ngữ. Cô ấy cũng phải tiếp nhận ngôn ngữ cơ thể của tôi và những tín hiệu tinh tế khác. “Ví dụ như bây giờ bạn đang gật đầu, vì vậy từ điều này tôi có thể kết luận rằng bạn đang lắng nghe và quan tâm,” cô nói.

Trước đây tôi chưa đánh giá đầy đủ sự phức tạp của việc điều khiển động cơ cần thiết cho lời nói. Thể chất không chỉ bao gồm các hoạt động thể dục phức tạp của lưỡi và môi - để tạo ra âm thanh cũng như điều chỉnh cao độ và âm lượng - mà còn cả cử chỉ. Lời nói của chúng ta được định thời để chúng ta không lấn át người khác và chúng được điều chỉnh phù hợp với bối cảnh xã hội: được truyền tải cảm xúc thích hợp và được thúc đẩy bởi động lực, suy nghĩ, dự đoán và tâm trạng.

Việc phối hợp các chức năng đa dạng này đòi hỏi phải khai thác hầu hết mọi hoạt động của não - từ điều hòa nhịp tim và huyết áp, được thực hiện ở các vùng não sâu, đến việc xử lý thông tin cảm giác và cảm xúc, được thực hiện bởi hệ thống limbic. Nó cũng đòi hỏi phải tham gia vào các chức năng nhận thức cấp cao nhất về hiểu, ức chế và ra quyết định ở vỏ não trước trán.

Để tiểu não làm được điều đó, nó phải có những kết nối trải dài toàn bộ não. Cho đến nay, vẫn còn thiếu bằng chứng cho điều đó, nhưng các kỹ thuật mới đang khám phá ra những con đường này.

Một trung tâm đầu vào cảm giác

Chỉ vài thập kỷ trước, khi các nhà giải phẫu thần kinh lập bản đồ não, họ không thể tìm thấy bất kỳ kết nối trực tiếp nào từ tiểu não đến các vùng não kiểm soát cảm xúc và nhận thức, chẳng hạn như hệ thống limbic và vỏ não trước trán. Điều đó khiến họ tin rằng tiểu não phần nào bị cô lập và không được tham gia vào các chức năng nhận thức cao hơn này. Nhưng cũng giống như kẻ cướp có thể trốn tránh thiết bị theo dõi bằng cách thay đổi phương tiện, tín hiệu thần kinh có thể chuyển từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh tiếp theo. Hành động bí mật này đã khiến các nhà giải phẫu thần kinh mất dấu vết của tiểu não.

Các phương pháp mới đã cho phép các nhà giải phẫu thần kinh theo dõi những con đường đó từ tiểu não qua các điểm chuyển tiếp, theo chúng trên toàn bộ não. Ví dụ, các nhà nghiên cứu có thể cấy virus dại vào tế bào thần kinh để xem chính xác chúng tiếp xúc với tế bào thần kinh nào khác. Họ đã biến đổi gen để các protein huỳnh quang phát sáng khi xung thần kinh kích hoạt để họ có thể nhìn thấy luồng giao thông trong các mạch thần kinh. Họ cũng có thể theo dõi dấu vết do lưu lượng nơ-ron để lại: Sự xuất hiện của các protein được tạo ra khi nơ-ron kích hoạt có thể giúp xác định tất cả các tế bào đang giao tiếp trong mạng nơ-ron khi một hành vi cụ thể được thực hiện.

Tại hội nghị chuyên đề, các nhà nghiên cứu đã chia sẻ một loạt các phát hiện mới hấp dẫn được tiết lộ bằng các phương pháp mới này, chứng tỏ sự hiểu biết ngày càng tăng của họ về tiểu não.

Jessica Verpeut của Đại học bang Arizona đã báo cáo dữ liệu mô tả mạng lưới kết nối tiểu não phức tạp và mở rộng được kích hoạt khắp não ở chuột khi chúng giao tiếp hoặc học cách vượt qua mê cung.

Rudolph chia sẻ các thí nghiệm cho thấy hành vi của mẹ, được nghiên cứu ở chuột cái chăm sóc con của chúng, bị ảnh hưởng bởi các hormone tác động lên tiểu não, đặc biệt là hormone oxytocin, giúp thúc đẩy sự gắn kết giữa mẹ và con. Khi cơ chế này bị phá vỡ bằng thí nghiệm, chuột mẹ không còn quan tâm đến chuột con nữa.

Yi-Mei Yang của Đại học Minnesota cho thấy rằng khi cô phá vỡ một số tế bào thần kinh tiểu não, chuột sẽ mất hứng thú với việc tương tác với những con chuột lạ được đưa vào lồng của chúng. Tuy nhiên, họ không gặp khó khăn gì khi tương tác và ghi nhớ những đồ vật vô tri mới lạ. Điều này cho thấy sự thiếu hụt trong trí nhớ phức tạp về nhận thức xã hội, tương tự như những gì người tự kỷ trải qua.

Trên thực tế, tiểu não ở người tự kỷ thường nhỏ hơn và Aleksandra Badura từ Trung tâm Y tế Đại học Erasmus ở Rotterdam đã trình bày dữ liệu mới cho thấy rằng tiểu não có liên quan đến bệnh tự kỷ vì nó là trung tâm của các giác quan đầu vào, đặc biệt là các tín hiệu liên quan đến bối cảnh xã hội.

Nghiên cứu mới này vượt xa các nghiên cứu trên chuột. Andreas Thieme từ Bệnh viện Đại học Essen ở Đức đã trình bày một thử nghiệm lâm sàng mới được sử dụng để chẩn đoán chính xác những suy giảm về cảm xúc và nhận thức do tổn thương tiểu não.

Những nghiên cứu mới mang tính đột phá này cho thấy ngoài việc kiểm soát chuyển động, tiểu não còn điều chỉnh hành vi xã hội và cảm xúc phức tạp. Để đạt được tầm ảnh hưởng toàn cầu này, tiểu não phải là một trung tâm xử lý dữ liệu với các kết nối xuyên suốt não. Không có gì ngạc nhiên khi nó có rất nhiều tế bào thần kinh. Để tự mình thực hiện được lệnh và kiểm soát bậc cao này, trên thực tế, nó phải có một bộ não nhỏ.