Khoa học thần kinh trong tâm lý học nhận thức

Khoa học thần kinh nhận thức là gì?

Khoa học thần kinh nhận thức nhằm mục đích khám phá cách cấu trúc não ảnh hưởng đến cách chúng ta xử lý thông tin và lập bản đồ các chức năng nhận thức tinh thần đến các khu vực cụ thể của não. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật chụp ảnh não như fMRI và PET scan.

Nguồn gốc lịch sử sớm nhất của khoa học thần kinh có thể bắt nguồn từ người Ai Cập cổ đại, những người thực hành phương pháp khoan sọ – khoan một lỗ vào hộp sọ để điều trị các rối loạn não và/hoặc tâm thần – và có một số hiểu biết về các triệu chứng của tổn thương não (Mohamed, 2008).

Rất lâu sau đó, phát minh ra kính hiển vi và việc sử dụng các quy trình nhuộm màu đã dẫn đến việc Santiago Ramón y Cajal phát hiện ra các tế bào thần kinh riêng lẻ (tế bào của hệ thần kinh) vào cuối những năm 1890, tạo tiền đề cho nghiên cứu hiện đại về hệ thần kinh (Guillery, 2004). Sự xuất hiện của khoa học thần kinh như một lĩnh vực riêng biệt bắt đầu vào thế kỷ 20, được tiên phong bởi David Rioch, Francis O. Schmitt và Stephen Kuffler (Cowan và cộng sự, 2000).

Các nhánh của khoa học thần kinh chủ yếu được xác định bởi thang phân tích của chúng – tức là các góc nhìn mà chúng dùng để phân tích hệ thần kinh. Các phân tử trong hệ thần kinh tạo thành cơ sở cho chức năng và giao tiếp của tế bào thần kinh, đây là trọng tâm của khoa học thần kinh phân tử.

Các quá trình phân tử này tạo ra các chức năng tế bào quy mô lớn hơn trong các tế bào thần kinh – chẳng hạn như các chức năng liên quan đến tín hiệu thần kinh – là trọng tâm của khoa học thần kinh tế bào. Các chức năng như vậy cho phép các hệ thống giao tiếp phức tạp giữa các tế bào thần kinh, là trọng tâm của khoa học thần kinh hệ thống.

Neuron và khớp thần kinh

Neuron là đơn vị tế bào cơ bản cấu thành nên hệ thần kinh. Con người sở hữu khoảng 100 tỷ Neuron. Một Neuron riêng lẻ thường bao gồm thân tế bào, sợi nhánh và sợi trục.

Thân tế bào chứa nhân tế bào (nơi lưu trữ DNA của tế bào) và sản xuất ra các protein cần thiết cho hoạt động của tế bào thần kinh.

Mở rộng ra khỏi soma là các sợi nhánh, là các cấu trúc giống như nhánh tạo thành các kết nối với các tế bào thần kinh khác mà từ đó chúng nhận và xử lý các tín hiệu điện. Cuối cùng, một sợi trục nhô ra từ đầu kia của soma, tạo ra và mang tín hiệu điện đến các tế bào thần kinh khác.

Mỗi tế bào thần kinh thường chỉ chứa một sợi trục, mặc dù cấu trúc có thể phân nhánh theo phần nhô ra ban đầu từ thân tế bào (Woodruff, 2019).

Các tín hiệu điện được truyền bởi các sợi trục và đến các sợi nhánh được gọi là điện thế hoạt động. Neuron là các thiết bị điện – chúng chứa các kênh cho phép các ion dương và âm đi từ bên ngoài vào bên trong tế bào hoặc ngược lại, tạo ra điện thế liên quan đến màng tế bào (hàng rào xung quanh bên ngoài tế bào).

Theo mặc định (khi các tế bào thần kinh “nghỉ ngơi”), có nhiều điện tích âm hơn ở bên trong tế bào so với bên ngoài, tạo ra điện thế màng nghỉ là -70 milivôn. Tuy nhiên, điện thế này liên tục thay đổi để đáp ứng với các đầu vào từ các tế bào khác, khiến các ion chảy vào hoặc ra khỏi tế bào.

Một số đầu vào này mang tính “kích thích”, nghĩa là chúng làm cho điện thế màng tế bào bớt âm hơn (ví dụ, bằng cách khiến các ion dương chảy vào tế bào), trong khi những đầu vào khác mang tính “ức chế”, nghĩa là chúng làm cho màng tế bào âm hơn.

Nếu một tế bào thần kinh nhận đủ đầu vào kích thích và không quá nhiều đầu vào ức chế, điện thế màng của nó sẽ vượt quá ngưỡng được gọi là “điện thế hoạt động” (khoảng – 50 milivôn) và điện thế hoạt động sẽ xảy ra.

Về mặt điện, điện thế hoạt động là những đột biến ngắn nhưng mạnh mẽ trong điện thế màng của tế bào thần kinh. Các nhà khoa học thần kinh thường gọi điện thế hoạt động đơn giản là “gai”.

Khi điện thế màng của tế bào thần kinh vượt quá ngưỡng điện thế hoạt động, nó sẽ kích hoạt việc mở các kênh natri có cổng điện áp, cho phép các ion natri tích điện dương đi vào tế bào.

Điều này khiến điện thế màng tế bào nhanh chóng trở nên dương hơn, dẫn đến một xung điện. Tín hiệu này sau đó nhanh chóng truyền xuống chiều dài của sợi trục của tế bào thần kinh, vì chính xung điện này cũng khiến các kênh natri có cổng điện áp xa hơn mở ra – và cứ thế tiếp tục.

Cuối cùng, điện thế hoạt động truyền đến cuối sợi trục và tế bào thần kinh truyền tín hiệu này đến các tế bào thần kinh khác.

Các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau thông qua các cấu trúc gọi là khớp thần kinh. Một khớp thần kinh đơn bao gồm một đầu mút trước khớp thần kinh, một khe khớp thần kinh và một đầu mút sau khớp thần kinh.

Khi một điện thế hoạt động đạt đến đầu sợi trục của tế bào thần kinh, nó sẽ đến đầu tận cùng trước synap, khiến các chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng khỏi tế bào. Các chất dẫn truyền thần kinh này được giải phóng vào khe synap, một khoảng cách nhỏ (20-40nm) giữa các đầu tận cùng trước và sau synap.

Các chất dẫn truyền thần kinh sau đó di chuyển qua khe synap và kích hoạt các thụ thể dẫn truyền thần kinh ở đầu cuối sau synap. Khi các thụ thể này được kích hoạt, chúng khiến các ion dương hoặc âm chảy vào tế bào thần kinh sau synap, dẫn đến sự kích thích hoặc ức chế tương ứng.

Khi các chất dẫn truyền thần kinh tác động lên thụ thể để khiến các ion dương chảy vào tế bào thần kinh sau synap, quá trình này được gọi là kích thích vì tế bào thần kinh được đưa đến gần ngưỡng điện thế hoạt động hơn và do đó có nhiều khả năng hoạt động hơn.

Ngược lại, khi các chất dẫn truyền thần kinh tác động lên thụ thể để khiến các ion âm chảy vào tế bào thần kinh sau synap, quá trình này được gọi là ức chế vì tế bào thần kinh bị đưa ra xa ngưỡng điện thế hoạt động của nó và do đó ít có khả năng hoạt động hơn.

Kết quả là, một số chất dẫn truyền thần kinh được gọi là chất dẫn truyền thần kinh kích thích (vì tác động của chúng lên thụ thể gây ra sự kích thích), trong khi những chất khác được gọi là chất dẫn truyền thần kinh ức chế.

Các chất dẫn truyền thần kinh kích thích phổ biến bao gồm glutamate và dopamine; các chất dẫn truyền thần kinh ức chế phổ biến bao gồm GABA và glycine. Một số chất dẫn truyền thần kinh, chẳng hạn như serotonin, có thể kích thích hoặc ức chế tùy thuộc vào loại thụ thể mà nó tác động.

Hệ thần kinh

Hệ thần kinh của chúng ta bao gồm hàng tỷ tế bào thần kinh, tất cả đều kích hoạt các điện thế hoạt động và giao tiếp với nhau thông qua các khớp thần kinh.

Những mạng lưới Neuron này cuối cùng tạo ra những cấu trúc lớn hơn thực hiện các chức năng chuyên biệt. Bằng cách nghiên cứu giải phẫu của hệ thần kinh, chúng ta có thể bắt đầu hiểu cách nó phân chia nhiều nhiệm vụ của mình.

Phân chia giải phẫu quan trọng nhất của hệ thần kinh là giữa hệ thần kinh trung ương và hệ thần kinh ngoại biên. Hệ thần kinh trung ương bao gồm não và tủy sống, và hệ thần kinh ngoại biên bao gồm các dây thần kinh khắp cơ thể giao tiếp với hệ thần kinh trung ương.

Hệ thần kinh trung ương và ngoại biên hoạt động cùng nhau để diễn giải dữ liệu cảm giác và khởi tạo chuyển động (Sukel, 2019). Thông tin cảm giác được gửi từ các dây thần kinh ngoại biên đến tủy sống và sau đó chuyển tiếp đến não; thông tin vận động đi từ não xuống tủy sống và cuối cùng đến các cơ thông qua các dây thần kinh ngoại biên.

Bản thân não bao gồm ba phần: thân não, tiểu não và vỏ não. Thân não chủ yếu kiểm soát cái gọi là chức năng “tự chủ”, nghĩa là các chức năng cơ thể được điều chỉnh vô thức, chẳng hạn như nhịp tim và hơi thở. Tiểu não nằm cạnh thân não và kiểm soát sự cân bằng và phối hợp chuyển động.

Cuối cùng, vỏ não nằm phía trên thân não và tiểu não và là thứ mà hầu hết mọi người nghĩ đến khi nhắc đến não – nó chịu trách nhiệm về các chức năng nhận thức và cảm giác tạo nên đời sống tinh thần của chúng ta (Sukel, 2019).

Vỏ não, lần lượt, được chia thành hai bán cầu và bốn thùy. Một cầu nối các sợi thần kinh kết nối bán cầu não phải và trái được gọi là thể chai.

Trái với niềm tin phổ biến, hầu hết các quá trình nhận thức đều liên quan đến cả hai bán cầu não (tức là bán cầu não phải không “sáng tạo” hơn và bán cầu não trái “phân tích” hơn). Tuy nhiên, một ngoại lệ là hầu hết các cấu trúc thần kinh liên quan đến ngôn ngữ đều nằm ở bán cầu não trái (Sukel, 2019).

Ngoài hai bán cầu não, vỏ não còn được chia thành bốn thùy: thùy chẩm, thùy thái dương, thùy đỉnh và thùy trán. Thùy chẩm nằm ở phía sau não và chủ yếu chịu trách nhiệm xử lý thông tin thị giác.

Thùy thái dương nằm ở phía sau thái dương và chủ yếu xử lý thông tin âm thanh (bao gồm ngôn ngữ) và một số khía cạnh của trí nhớ.

Thùy đỉnh nằm phía trên tai và chủ yếu xử lý thông tin cảm giác, xúc giác và không gian. Cuối cùng, thùy trán (thùy lớn nhất) nằm phía trên mắt ở phía trước vỏ não. Nó chịu trách nhiệm cho các chức năng nhận thức cấp cao hơn như lý luận, ra quyết định và lập kế hoạch.

Người ta cho rằng vỏ não trán phát triển cao của chúng ta là yếu tố phân biệt con người với tổ tiên linh trưởng (Sukel, 2019).

Mỗi thùy chứa hai loại mô thần kinh riêng biệt: chất xám và chất trắng. Chất xám có màu xám và bao gồm các thân tế bào thần kinh, sợi nhánh và các tế bào không hỗ trợ tế bào thần kinh. Chất trắng có màu trắng và bao gồm các sợi trục của tế bào thần kinh, có chức năng tạo thành các kết nối giữa các vùng trong não.

Màu trắng là kết quả của myelin, một chất béo bao quanh sợi trục để giúp chúng truyền tín hiệu hiệu quả hơn (Sukel, 2019).

Bộ não cũng chứa nhiều vùng nhỏ hơn với các chức năng cụ thể hơn. Các vùng quan trọng bao gồm:

• Vùng dưới đồi – trung tâm điều khiển các chức năng tự chủ như nhiệt độ cơ thể và huyết áp, cũng như các hành vi như đói, khát và ham muốn tình dục.
• Tuyến yên – kết nối với vùng dưới đồi, điều chỉnh hệ thống nội tiết, tiết ra các hormone liên quan đến sự phát triển tình dục, tăng trưởng xương và cơ, và căng thẳng.
• Đồi thị – “trạm trung chuyển” chính điều chỉnh thông tin đến và đi từ vỏ não.
• Hạch nền – kết hợp với tiểu não, giúp điều phối các chuyển động vận động tinh tế.
• Hạnh nhân – đóng vai trò quan trọng trong phản ứng cảm xúc với các kích thích.
• Hải mã – chịu trách nhiệm về trí nhớ dài hạn (“Anatomy,” 2018).

Khoa học thần kinh Tâm lý học

Nghiên cứu khoa học về não là không thể thiếu đối với nghiên cứu khoa học về tâm trí. Mặc dù khoa học thần kinh và tâm lý học tập trung vào các lĩnh vực khác nhau, khoa học thần kinh xử lý lĩnh vực các đặc tính vật lý, trong khi tâm lý học xử lý lĩnh vực trừu tượng hơn của tinh thần.

Khả năng liên hệ liên tục giữa trạng thái não bộ với trạng thái tinh thần của chúng ta có nghĩa là hai lĩnh vực này có thể tham gia vào cuộc đối thoại có ý nghĩa.

Các nhà khoa học đã tìm cách hiểu mối quan hệ giữa não và tâm trí trong nhận thức bình thường và bất thường của con người. Đây là mục tiêu chính của khoa học thần kinh nhận thức.

Nhiều nghiên cứu về khoa học thần kinh nhận thức được thực hiện thông qua việc sử dụng kỹ thuật chụp ảnh thần kinh (tức là bất kỳ công nghệ nào hỗ trợ hình ảnh hóa não bộ) vì nó cho phép chúng ta “nhìn vào bên trong” hộp sọ của người còn sống.

Hình thức chụp ảnh thần kinh phổ biến nhất được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học thần kinh nhận thức là chụp cộng hưởng từ (MRI), sử dụng phản ứng từ các ion hydro trong các điều kiện khác nhau để thu thập thông tin về não.

MRI có thể cung cấp thông tin về cấu trúc não bộ – tức là thông tin về giải phẫu não của một người, chẳng hạn như kích thước của các vùng khác nhau – bằng cách phân biệt các loại mô khác nhau trong hộp sọ và tạo ra bản đồ não vật lý.

Nó cũng có thể cung cấp thông tin chức năng, tức là thông tin về hoạt động của các vùng khác nhau của não, bằng cách phát hiện các vùng có nồng độ máu có oxy cao, có mối tương quan với hoạt động của não.

Thông qua các nghiên cứu về hình ảnh thần kinh, các nhà khoa học thần kinh nhận thức có thể sử dụng thông tin về cấu trúc và chức năng để xây dựng các mô hình nhận thức của con người và hiểu được vai trò của các hệ thống và vùng não khác nhau trong suy nghĩ và hành vi (Kalra, 2012).

Ngoài việc làm sáng tỏ các quá trình thần kinh cơ bản trong tâm trí con người nói chung, khoa học thần kinh đã cách mạng hóa tâm lý học lâm sàng bằng cách tạo ra những tiến bộ đáng kể trong việc hiểu biết của chúng ta về bệnh tâm thần.

Bằng cách so sánh não của những người khỏe mạnh với não của những người mắc chứng rối loạn tâm thần, các nhà khoa học thần kinh đã nâng cao hiểu biết của chúng ta về cả nguyên nhân gây ra những căn bệnh này và phương pháp điều trị hiệu quả nhất.

Ví dụ, các nghiên cứu về hình ảnh thần kinh cho thấy một số người bị trầm cảm có thể có hồi hải mã nhỏ hơn. Điều này có thể liên quan đến căng thẳng, được cho là làm giảm quá trình tạo tế bào thần kinh (sản xuất tế bào thần kinh mới) ở hồi hải mã.

Phát hiện này cũng phù hợp với bằng chứng cho thấy thuốc chống trầm cảm có tác dụng thúc đẩy quá trình tạo tế bào thần kinh ở hồi hải mã – và vì quá trình này mất nhiều thời gian nên điều này có thể giải thích tại sao bệnh nhân thường không nhận thấy tác dụng của thuốc chống trầm cảm trong vài tuần.

Mặc dù thuốc chống trầm cảm có tác dụng trực tiếp đến mức độ chất dẫn truyền thần kinh được cho là có liên quan đến tâm trạng, nhưng những phát hiện này cho thấy rằng quá trình hình thành tế bào thần kinh cuối cùng là cơ chế hoạt động quan trọng hơn và cần phát triển các loại thuốc nhắm mục tiêu cụ thể vào quá trình hình thành tế bào thần kinh (“Nguyên nhân”, 2019).

Một ví dụ khác là bệnh tâm thần phân liệt. Nhiều nghiên cứu về thần kinh hóa học, hình ảnh thần kinh và mô hình động vật đã chỉ ra vai trò nổi bật của chất dẫn truyền thần kinh dopamine trong chứng rối loạn này – cụ thể là nồng độ dopamine cao bất thường ở một phần não gọi là thể vân. Người ta cho rằng một trong những vai trò của dopamine là báo hiệu sự nổi bật của các kích thích bên ngoài.

Ví dụ, thức ăn có thể được báo hiệu là nổi bật vì nó cần thiết cho sự sống còn. Do đó, các nhà khoa học đã đưa ra giả thuyết rằng hoạt động dopamine bất thường ở thể vân có thể khiến các kích thích vô hại có mức độ nổi bật bất thường ở những người mắc chứng tâm thần phân liệt, dẫn đến ảo tưởng và ảo giác về các kích thích đang được đề cập.

Do đó, cơ chế chính của thuốc chống loạn thần là ngăn chặn thụ thể dopamine (Winton-Brown và cộng sự, 2014).

Dopamine cũng liên quan đến chứng nghiện. Chất dẫn truyền thần kinh đóng vai trò quan trọng trong động lực và phần thưởng (một loại nổi bật nhất định), và khi thuốc làm tăng mức dopamine trong mạch phần thưởng được đưa vào, phản ứng có điều kiện sẽ được kích hoạt.

Thông thường, mạch phần thưởng này được kiểm soát bởi các mạch ở vỏ não trước trán kiểm soát chức năng điều hành: khả năng chống lại cơn thèm ăn ngắn hạn để phục vụ cho mục tiêu dài hạn hơn.

Tuy nhiên, ở những người nghiện, phản ứng có điều kiện của thuốc mạnh đến mức các mạch phần thưởng lấn át các mạch trước trán, dẫn đến việc tìm kiếm thuốc một cách cưỡng chế ngay cả khi phải đối mặt với những hậu quả tiêu cực (Volkow và Boyle, 2018).

Nghiên cứu hiện đại đã chỉ ra rằng khoa học thần kinh và tâm lý học có thể cùng nhau làm việc vì lợi ích chung. Bằng cách tìm hiểu về mối quan hệ giữa tinh thần và thể chất, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cả hai.

Nguồn tham khảo

Cowan, W. M., Harter, D. H., & Kandel, E. R. (2000). The Emergence of Modern Neuroscience: Some Implications for Neurology and Psychiatry . Annual Review of Neuroscience, 23 (1), 343–391.

Dorland, W. A. N. (2011). Dorland’s Illustrated Medical Dictionary E-Book. Elsevier Health Sciences.

Guillery, R. W. (2004). Observations of synaptic structures: origins of the neuron doctrine and its current status. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 360 (1458), 1281–1307.

Harvard University. (2019, June 24). What causes depression? Harvard Health Publishing. https://www.health.harvard.edu/mind-and-mood/what-causes-depression.

Kalra, P. (2012, July 1). Cognitive neuroscience: Connecting neuroimaging and neural nets. Science in the News. http://sitn.hms.harvard.edu/flash/2012/cognitive-neuroscience/

Mayfield Brain & Spine. (2018, April). Anatomy of the Brain. Mayfield Brain & Spine. https://mayfieldclinic.com/pe-anatbrain.htm

Mohamed, W. (2008). The Edwin Smith Surgical Papyrus: Neuroscience in Ancient Egypt. IBRO History of Neuroscience. https://archive.vn/20140706060915/http://www.ibro1.info/Pub/Pub_Main_Display.asp?LC_Docs_ID=3199#selection-437.0-437.28

Society for Neuroscience. (2015). Neuroscience Core Concepts: The Essential Principles of Neuroscience . Washington, DC.

Sukel, K. (2019, August 25). Neuroanatomy: The Basics. Dana Foundation. https://www.dana.org/article/neuroanatomy-the-basics

Sussex Publishers. What Is Neuroscience? Psychology Today. https://www.psychologytoday.com/gb/basics/neuroscience

The University of Queensland. (2017, November 9). Action potentials and synapses. Queensland Brain Institute. https://qbi.uq.edu.au/brain-basics/brain/brain-physiology/action-potentials-and-synapses

Volkow, N. D., & Boyle, M. (2018). Neuroscience of Addiction: Relevance to Prevention and Treatment. American Journal of Psychiatry, 175 (8), 729–740.

Winton-Brown, T. T., Fusar-Poli, P., Ungless, M. A., & Howes, O. D. (2014). Dopaminergic basis of salience dysregulation in psychosis. Trends in Neurosciences, 37 (2), 85–94.

Woodruff, A. (2019, August 13). What is a neuron? Queensland Brain Institute. https://qbi.uq.edu.au/brain/brain-anatomy/what-neuron.