HỌC TẬP THẬM CHÍ CÓ THỂ THAY ĐỔI MỘT HÀNH VI ĐƠN GIẢN

——-💦💦💦——-
Khi đến Đại học New York vào tháng 12 năm 1965, tôi biết nghiên cứu của Tauc, tôi đã phát hiện ra khi đáp ứng với các kiểu kích thích khác nhau mô phỏng những kích thích của Pavlov, một synap có thể dễ dàng chịu những thay đổi kéo dài và những thay đổi đó có thể ảnh hưởng tới lực kết nối giữa hai tế bào thần kinh trong một hạch cô lập. Nhưng đó là một trường hợp nhân tạo. Chưa có bất kỳ bằng chứng trực tiếp nào cho thấy ở một con vật, quá trình học tập thực sự có thể làm thay đổi tính hiệu quả của kết nối synap. Tôi cần chuyển từ nghiên cứu trên những tế bào riêng lẻ nằm trong một hạch cô lập như vậy để nghiên cứu trên một mạng lưới thần kinh ở một con vật sống toàn vẹn.

Thế nên tôi đã ghim hai mục đích cần thực hiện cho những năm tiếp theo. Đầu tiên, phát triển một danh mục chi tiết các hành vi của Aplysia và xác định hành vi nào có thể bị thay đổi bởi quá trình học tập. Sau đó, chọn nghiên cứu một hành vi trong số đó để khám phá ảnh hưởng chính xác của quá trình học tập và sự lưu trữ ký ức trong mạng lưới thần kinh chi phối cho hành vi đó. Kế hoạch này đã manh nha trong đầu tôi khi còn ở Harvard, và tôi bắt đầu tìm kiếm một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ quan tâm tới học tập ở động vật không xương sống để hợp tác nhằm giải quyết vấn đề này.

Tôi đã may mắn khi tuyển được Irving Kupfermann, một nhà hành vi học tài năng và có phong cách rất riêng, được đào tạo tại Đại học Chicago. Anh ấy đã tham gia với tôi một vài tháng trước khi tôi rời khỏi Harvard và theo tôi đến Đại học New York. Irving là một trí thức điển hình của Đại học Chicago. Dáng người cao gầy, một mọt sách chính hiệu và có chút lập dị, anh ấy đeo cặp kính dày cộp và có mái đầu hói gần hết dù còn trẻ. Sau này, một sinh viên đã mô tả anh ấy là “một bộ não to đùng cắm trên một cái gậy dài mảnh khảnh”. Irving bị dị ứng với động vật gặm nhấm và mèo, anh ấy đã quyết định làm đề tài tiến sĩ trên một loài không xương sống nhỏ phân đốt sống trên đất, thuộc phân bộ Mối (pill-bug). Anh ấy là một cậu học trò rất uyên bác và sáng tạo, rất thành thạo trong việc thiết kế thí nghiệm.

Chúng tôi cùng nhau bắt đầu tìm kiếm một hành vi của Aplyia để nghiên cứu về học tập. Chúng tôi trở nên quen thuộc với hầu hết những thói quen ăn uống, sinh hoạt thường ngày, hành vi phóng mực và sinh sản của nó. Chúng tôi rất quan tâm tới hành vi tình dục của nó, một hành vi xã hội rõ ràng và ấn tượng nhất ở Aplysia. Sên là một loài lưỡng tính, chúng có thể vừa là con đực vừa là con cái, tùy thuộc vào đối tác khác nhau vào các thời điểm khác nhau hoặc thậm chí là đồng thời. Nếu nhận ra đối tác thích hợp, chúng có thể tạo thành một chuỗi giao phối ấn tượng mà trong đó mỗi con sên đồng thời là con đực cho con ở phía trước và là con cái cho con ở phía sau trong chuỗi này.

Khi phân tích và suy nghĩ về hành vi này, chúng tôi nhận thấy nó quá phức tạp, một số hành vi còn có sự tham gia của rất nhiều hạch trong hệ thống thần kinh. Chúng tôi cần tìm một hành vi đơn giản hơn nhiều, chỉ được kiểm soát bởi những tế bào của một hạch duy nhất. Vì thế, chúng tôi tập trung vào các hành vi được kiểm soát bởi hạch bụng mà khi ở Paris tôi đã từng nghiên cứu nên quen thuộc nhất. Hạch bụng chỉ chứa 2000 tế bào thần kinh, chi phối nhịp tim, hô hấp, đẻ trứng, phóng mực, sự co rút của mang (gill) và vòi hậu môn (siphon). Năm 1968, chúng tôi đã quyết định nghiên cứu hành vi đơn giản nhất: phản xạ co rút của mang.
Mang là một cấu trúc ngoài được Aplysia sử dụng để hô hấp. Nó nằm trong một khoang của thành cơ thể, được gọi khoang áo và được phủ bởi lớp màng da có tên là cựa áo (mantle shelf). Cuối cựa áo là vòi hậu môn. Đó là một ống cơ đào thải nước biển và chất thải từ khoang áo. Chỉ cần chạm nhẹ vào vòi là cũng khiến nó nhanh chóng co rút cả vòi và mang vào phía trong của khoang áo. Mục đích của phản xạ co rút này rõ ràng là để bảo vệ mang, một cơ quan mỏng manh, quan trọng với sự sinh tồn, khỏi bị tổn thương.

Irving và tôi nhận ra rằng thậm chí một phản xạ rất đơn giản như vậy cũng có thể bị thay đổi bởi hai dạng học tập khác nhau – thuận hóa và nhạy cảm hóa – và mỗi dạng sẽ tạo ra một ký ức ngắn hạn kéo dài vài phút. Một cái chạm nhẹ ban đầu vào vòi khiến mang co rút nhanh chóng. Nếu lặp đi lặp lại cú chạm nhẹ như vậy thì sẽ tạo nên thuận hóa: Phản xạ dần bị xóa bỏ khi con vật dần hiểu ra kích thích này vô hại. Chúng tôi tạo ra nhạy cảm hóa bằng cách áp dụng một sốc điện hoặc vào đầu, hoặc vào đuôi. Con vật nhận ra đây là một kích thích mạnh và nguy hiểm nên phản ứng lại bằng một phản xạ co rút mang quá mức, thậm chí sau đó chỉ cần chạm nhẹ vào vòi thôi, nó cũng phản ứng mãnh liệt như vậy.

Năm 1971, tham gia cùng chúng tôi còn có thêm Tom Carew, một bác sĩ tâm lý và một nhà sinh lý tài năng, đầy nhiệt huyết và thích giao du đến từ Đại học California, Riverside. Anh đã bắt đầu tham gia nghiên cứu về trí nhớ dài hạn của chúng tôi. Carew chỉ đơn giản là thích tham gia vào một nhóm sinh học thần kinh và hành vi tại Đại học New York. Anh ấy trở thành bạn tốt với Jimmy Schwartz, Alden Spencer cũng như với tôi. Giống như một miếng bọt biển khô, anh ấy đã hấp thụ văn hóa của nhóm – không chỉ khoa học mà cả sự quan tâm của chúng tôi tới nghệ thuật, âm nhạc và những chuyện tầm phào trong giới nghiên cứu. Như Carew và tôi hay nói với nhau: “Người khác nói, thì nó là chuyện tầm phào, chúng ta nói, thì nó là nghiên cứu lịch sử trí tuệ.”

Carew và tôi phát hiện ra rằng trí nhớ dài hạn ở Aplysia cũng giống như ở người, nó cũng cần sự huấn luyện lặp đi lặp lại và cũng phải có những giai đoạn nghỉ ngơi. “Có công mài sắt, có ngày nên kim”, điều đó đúng với cả những con sến. Do đó, sử dụng 40 kích thích liên tiếp sẽ gây nên sự thuận hóa – phản ứng co mang mỗi khi kích thích chỉ kéo dài một ngày – nhưng 10 kích thích mỗi ngày trong bốn ngày lại có thể tạo ra sự thuận hóa kéo dài một tuần. Giãn cách sự huấn luyện bằng những quãng nghỉ gia tăng khả năng thiết lập một ký ức dài hạn của Aplysia.

Kupfermann, Carew và tôi đã chứng minh rằng một phản xạ đơn giản có thể tuân theo hai dạng tập không liên kết, bất kể là cho trí nhớ ngắn hạn hay dài hạn. Năm 1983, chúng tôi đã thành công khi tạo ra điều kiện hóa cổ điển một cách hiệu quả cho phản xạ co rút của mang. Đó là một bước tiến quan trọng, vì nó cho thấy một quá trình học tập liên hệ cũng có thể làm thay đổi phản xạ.

Năm 1985, sau hơn 15 năm làm việc miệt mài, chúng tôi đã chỉ ra rằng một hành vi đơn giản ở Aplysia có thể bị thay đổi bởi nhiều dạng học tập khác nhau. Điều đó củng cố hy vọng của tôi là một vài dạng học tập sẽ được duy trì trong quá trình tiến hóa và thậm chí được tìm thấy trong một mạng lưới thần kinh đơn giản của một hành vi rất đơn giản. Hơn nữa, bấy giờ tôi bắt đầu lờ mờ nhận ra có thể mở rộng ra ngoài vấn đề về quá trình học tập xảy ra và ký ức được lưu trữ như thế nào trong hệ thống thần kinh trung ương sang vấn đề về sự tương tác của các dạng học tập khác nhau và sự lưu trữ ký ức ở mức độ tế bào. Cụ thể hơn là làm thế nào trí nhớ ngắn hạn chuyển thành trí nhớ dài hạn trong bộ não?

Các nghiên cứu hành vi về phản xạ co rút của mang không phải là trọng tâm duy nhất của chúng tôi trong giai đoạn này. Quả thực, chúng tạo nên nền tảng cho mục đích chính và phụ của chúng tôi, đó là thiết kế những thí nghiệm nhằm khám phá cơ chế học tập xảy ra trong bộ não của con vật. Thế nên, sau khi quyết định tập trung vào phản xạ co rút của Aplysia để nghiên cứu quá trình học tập, chúng tôi cần phải lập bản đồ mạng lưới thần kinh của phản xạ này để hiểu hạch bụng đã làm được điều đó như thế nào.

Nhưng thiết lập một mạng lưới thần kinh cũng đặt ra trong nó những thách thức cơ bản. Kết nối giữa các tế bào thần kinh của một mạng lưới chính xác và chuyên biệt hóa ở mức nào? Đầu thập niên 1960, những người theo quan điểm của Karl Lashley lập luận rằng các tế bào thần kinh khác nhau trong vỏ não có những đặc tính rất giống nhau, chúng có chức năng tương tự nhau và các kết nối giữa chúng là ngẫu nhiên và có giá trị như nhau.

Nhưng những nhà khoa học khác, đặc biệt là những người nghiên cứu hệ thống thần kinh của động vật không xương sống, bảo vệ quan điểm cho rằng rất nhiều, thậm chí là tất cả, các tế bào thần kinh đều khác biệt, độc đáo. Ý tưởng này được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1908 bởi nhà sinh học người Đức Richard Goldschmidt. Goldschmidt đã nghiên cứu hạch bụng của giun tròn Ascaris, một ký sinh trùng nguyên thủy trong ruột. Ông phát hiện ra rằng con giun nào cũng có chính xác cùng một số lượng tế bào ở cùng một vị trí trong hạch này. Cùng năm đó, trong một bài trình bày rất nổi tiếng trước Hiệp hội Động vật ở Đức, ông nhấn mạnh: “Các cấu phần của hệ thống thần kinh là điều bất di bất dịch đến kinh ngạc: Ở phần trung tâm của hạch chứa 162 tế bào, không hơn không kém.”

Angelique Arvanitaki-Chalazonitis biết tới phân tích về giun tròn của Goldschmidt, và trong thập niên 1950, bà đã kiểm tra hạch bụng của Aplysia để tìm kiếm những tế bào có thể nhận diện được. Bà ấy đã phát hiện ra một số tế bào độc nhất trong mỗi con sên và có thể nhận diện được chúng dựa trên vị trí, màu sắc và kích thước. Một trong số đó là tế bào R2 mà tôi đã tập trung trong những nghiên cứu về học tập của mình với Ladislav Tauc. Tôi đã theo đuổi tế bào này lần đầu tiên là ở Harvard rồi sau đó ở Đại học New York, và năm 1967 tôi đã phát hiện ra rằng, giống như Goldschmidt và Arvanitaki- Chalazonitis trước đây, tôi cũng dễ dàng nhận diện được phần lớn các tế bào tiêu biểu tại hạch này.

Việc phát hiện ra các tế bào thần kinh là độc nhất và cùng một loại tế bào xuất hiện tại cùng một vị trí ở mỗi cá thể loài đã dẫn tới một câu hỏi mới: Liệu những kết nối synap giữa các tế bào thần kinh độc nhất này cũng hằng định? Nghĩa là tế bào này nhất định phải gửi tín hiệu tới một tế bào đích kia mà không phải các tế bào khác?

Tôi đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra mình có thể dễ dàng lập được bản đồ kết nối synap giữa các tế bào. Bằng cách đưa một vi điện cực vào một tế bào đích, đồng thời kích thích tạo điện thế hoạt động trong các tế bào khác của hạch, thực hiện từng tế bào một, tôi có thể xác định được phần lớn các tế bào tiền synap tương tác với tế bào đích. Điều đó cũng lần đầu tiên cho thấy có thể lập được bản đồ kết nối synap hoạt động giữa các tế bào riêng lẻ ở bất kỳ loài động vật nào. Tôi có thể sử dụng kỹ thuật này như một phương pháp để suy ra mạng lưới thần kinh kiểm soát một hành vi.

Tôi đã phát hiện ra sự đặc hiệu kết nối giữa các tế bào thần kinh riêng lẻ mà Santiago Ramón y Cajal từng chỉ ra trong quần thể các tế bào thần kinh. Hơn nữa, giống như các tế bào thần kinh và kết nối giữa chúng là chính xác và hằng định, chức năng của những kết nối này cũng hằng định. Sự hằng định đáng kinh ngạc này tạo điều kiện thuận lợi để thực hiện mục tiêu bấy lâu, đó là “bẫy” quá trình học tập vào bên trong một tập hợp đơn giản các kết nối thần kinh để quan sát quá trình học tập đã tạo ra trí nhớ ở mức độ tế bào như thế nào.

Năm 1969, Kupfermann và tôi đã nhận diện thành công phần lớn tế bào thần kinh liên quan tới khởi phát phản xạ co rút của mang. Để làm được điều này, chúng tôi đã gây tê con vật để rạch một đường ngắn trên cổ, rồi nhẹ nhàng đưa hạch bụng và dây thần kinh kết nối với nó ra ngoài và đặt chúng trên một tấm lót được chiếu sáng. Sau đó, chúng tôi đưa vào trong tế bào thần kinh các điện cực kênh kép (double-barreled) mà chúng tôi đã sử dụng để ghi và kích thích tế bào. Việc phẫu tích trên một con vật sống như vậy cho phép chúng tôi giữ nguyên hệ thống thần kinh cũng như các kết nối giữa chúng, do đó có quan sát đồng thời các cơ quan mà hạch bụng chi phối. Rồi chúng tôi bắt đầu tìm kiếm các tế bào thần kinh vận động kiểm soát phản xạ co rút của mang, tức là những tế bào vận động có các sợi trục từ hệ thống thần kinh trung ương để vươn về phía mang. Chúng tôi đã làm điều đó bằng cách kích thích từng tế bào một bằng điện cực và quan sát liệu kích thích đó có làm chuyển động mang không.

Vào một buổi chiều mùa thu năm 1968, khi đang làm việc một mình, tôi đã rất ngạc nhiên khi kích thích vào một tế bào và thấy nó gây nên một sự co rút mạnh của mang. Đó là lần đầu tiên tôi nhận diện được tế bào thần kinh vận động của Aplysia kiểm soát một hành vi cụ thể. Tôi nóng lòng muốn chỉ cho Irving xem. Cả hai chúng tôi đều kinh ngạc khi nhìn thấy một hành vi mạnh mẽ như vậy được gây ra bởi một tế bào độc nhất đó và biết rằng tế bào này sẽ cho phép xác định dễ dàng các tế bào vận động khác. Quả thật, ít tháng sau, Irving đã tìm ra năm tế bào vận động. Chúng tôi đã ngờ rằng sáu tế bào này chịu trách nhiệm tổ chức vận động cho phản xạ co rút của mang; khi chúng tôi ức chế hoạt động của những tế bảo này, chúng tôi không nhận bất kỳ một phản xạ nào.

Năm 1969, tham gia cùng chúng tôi có thêm Vincent Castellucci, một nhà khoa học trẻ người Canada dễ mến và rất uyên bác, có một nền tảng sinh học vững chắc, thường xuyên đánh bại tôi trong môn quần vợt; và Jack Byrne, một thạc sĩ tài năng được đào tạo về kỹ sư điện, anh đã mang đến cho chúng tôi thế mạnh của lĩnh vực này. Cả ba người chúng tôi đã cùng nhau nhận diện được các tế bào cảm giác cho phản xạ co rút của mang. Sau đó, chúng tôi đã phát hiện ra rằng ngoài các kết nối trực tiếp, các tế bào cảm giác còn tạo kết nối synap gián tiếp với tế bào thần kinh vận động thông qua các tế bào thần kinh trung gian. Cả hai loại kết nối này – trực tiếp và gián tiếp – đã chuyển tiếp thông tin về cú chạm đến tế bào thần kinh vận động để tạo ra phản xạ co rút thông qua kết nối của chúng với mô ở mang. Hơn nữa, chính các tế bào thần kinh đó cũng tới phản xạ co rút mang ở mỗi con sên mà chúng tôi liên quan nghiên cứu, và chính các tế bào đó luôn tạo nên cùng những kết nối synap tương tự giữa chúng với nhau. Như vậy, kiến trúc thần kinh của ít nhất một phản xạ của Aplysia cho thấy một sự chính xác đến kinh ngạc. Sau đó, chúng tôi cũng làm sáng tỏ tính đặc hiệu và sự hằng định này của mạng lưới thần kinh trong các phản xạ khác.

Trong bài báo năm 1969 trên nhật báo Science, “Neuronal Controls of a Behavioral Response Mediated by the Abdominal Ganglion of Aplysia” (t.d. Những chi phối thần kinh của một đáp ứng hành vi đường truyền qua hạch bụng ở Aplysia), Kupfermann và tôi đã kết luận bằng một chú thích đầy lạc quan:

“Từ những ưu điểm mà nó mang lại cho nghiên cứu sinh lý tế bào thần kinh, mô hình thực nghiệm này có lẽ đã tỏ ra hữu ích đối với việc phân tích cơ chế tế bào thần kinh trong quá trình học tập. Những thí nghiệm đầu tiên chỉ ra rằng có thể thay đổi những phản xạ hành vi đơn giản để làm xuất hiện một quá trình học tập đơn giản như nhạy cảm hóa và thuận hóa […] Nó cũng cho thấy chúng ta có thể nghiên cứu những thay đổi hành vi phức tạp hơn bằng cách sử dụng các mô hình điều kiện hóa hoặc kiểu của Pavlov, của Skinner.
——-💦💦💦——-