Dù chỉ nặng tương đương 2% trọng lượng cơ thể, não bộ tiêu tốn tới 20% tổng năng lượng và lượng oxy mà bạn hấp thụ vào.
Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn cứ ngoan cố sử dụng một chiếc máy tính, hay điện thoại di động chỉ còn vài % pin? Chúng chắc chắn sẽ sập nguồn - một hiện tượng được gọi là "cái chết kỹ thuật số", trong đó, các dữ liệu quan trọng, các thao tác và công việc mà bạn đang thực hiện trên máy sẽ không được lưu lại.
Để tránh điều này xảy ra, các thiết bị điện tử ngày nay thường được lập trình sẵn một trạng thái hoạt động gọi là "chế độ tiết kiệm pin". Chế độ này sẽ được tự động kích hoạt khi mức pin của thiết bị xuống thấp, dưới 10%, hoặc có thể được chọn thủ công theo ý định của người dùng.
Một chiếc điện thoại thông minh trong chế độ tiết kiệm pin sẽ tắt một số chương trình chạy nền, giảm độ sáng màn hình, tần số quét và thậm chí cả độ phân giải. Nó buộc phải làm vậy để ưu tiên năng lượng cho các hoạt động cơ bản hơn, ít nhất là cho đến khi chiếc điện thoại được sạc trở lại.
Bây giờ, trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Neuron, các nhà khoa học cho biết não bộ cũng có một chế độ tiết kiệm năng lượng tương tự. Nó sẽ được bật từ khi bạn đói, đến lúc thức ăn được nạp vào cơ thể và cung cấp năng lượng trở lại cho bạn.
Trong chế độ tiết kiệm năng lượng, nhiều hiện tượng kỳ lạ cũng sẽ diễn ra bên trong não, đặc biệt là ở vùng vỏ não xử lý tín hiệu vào từ các giác quan. Tuy nhiên, mọi người hiếm khi để ý đến chúng, vì những sự thay đổi này thường diễn ra một cách hết sức tinh tế, khiến chúng ta coi đó là điều hiển nhiên.
Ví dụ, bạn có biết khi nào thì độ phân giải thị giác của mình bị giảm đi hay không?
Chúng ta biết bộ não là cơ quan tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong cơ thể. Dù chỉ nặng tương đương 2% trọng lượng, não bộ tiêu tốn tới 20% tổng năng lượng và lượng oxy mà bạn hấp thụ vào.
Mọi tế bào não đều cần một nguồn cung cấp đường glucose ổn định, thứ mà chúng sẽ chuyển đổi thành adenosine triphosphate (ATP), đồng tiền năng lượng mà các neuron sử dụng để xử lý thông tin.
Khi chúng ta chớm đói, não bộ vẫn hoạt động hết công suất và tiêu thụ mức năng lượng mà nó được phân bổ. Nhưng do con người và các loài động vật khác trong lịch sử tiến hóa đã nhiều lần phải đối mặt với nguy cơ chết đói trong thời gian dài, đôi khi là theo mùa. Do đó, các nhà khoa học tin rằng bộ não cũng phải phát triển các cơ chế "tiết kiệm pin" cho những tình huống khẩn cấp như thế.
Bằng chứng về giả thuyết này vừa được phát hiện bởi các nhà thần kinh học tại phòng thí nghiệm Nathalie Rochefort, Đại học Edinburgh. Với các nghiên cứu của mình, họ đã quan sát thấy khi những con chuột bị thiếu thức ăn trong nhiều tuần - đủ lâu để chúng giảm 15% -20% trọng lượng cơ thể - các tế bào thần kinh trong vỏ não thị giác đã làm giảm một lượng đáng kể ATP được sử dụng tại các khớp thần kinh.
Mức độ suy giảm này lên tới 29%, kéo theo một cái giá phải trả cho quá trình nhận thức: Bởi các tế bào thần kinh ở chế độ năng lượng thấp xử lý tín hiệu thị giác kém chính xác hơn, nó đã làm suy yếu độ phân giải hình ảnh mà lũ chuột nhìn được từ thế giới bên ngoài.
Ngay sau khi được công bố, công trình này đã nhận được sự quan tâm và khen ngợi rộng rãi từ cộng đồng các nhà thần kinh học quốc tế. Phát hiện được cho là có ý nghĩa quan trọng cho hiểu biết của chúng ta về cách não bộ hoạt động, sự ảnh hưởng của tình trạng suy dinh dưỡng hoặc thậm chí một số hình thức ăn kiêng đến nhận thức của chúng ta về thế giới.
Nó cũng đặt ra câu hỏi về việc liệu các thí nghiệm thần kinh học được thực hiện trên động vật từ trước đến nay có cho kết quả chính xác hay không, khi các nhà khoa học thiết kế chúng bằng cách bỏ đói những con vật và không cho chúng ăn một chế độ ăn có năng lượng tối ưu?
Điều đó có thể phủ nhận các kết quả nghiên cứu khoa học thần kinh từ trước đến nay. Và nếu điều đó là sự thật thì đây sẽ là một bước ngoặt của khoa học nghiên cứu não bộ.
Những bằng chứng đầu tiên về chế độ tiết kiệm năng lượng của bộ não
Nếu bạn từng cảm thấy mình không thể tập trung làm việc khi đói - hoặc tất cả những gì bạn làm được chỉ là ngồi thừ ra và nghĩ đến thức ăn - thì đúng vậy, các bằng chứng khoa học cũng ủng hộ bạn. Hóa ra đó là một hiện tượng hết sức bình thường.
Nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực thần kinh học đã xác nhận đói (trong thời gian ngắn) có thể làm thay đổi các quá trình xử lý thần kinh trong não. Nó làm phân tán sự tập trung của chúng ta, khiến chúng ta hướng sự chú ý của mình đến việc tìm kiếm đồ ăn, thay vì tiếp tục làm điều mà mình đang làm.
Vào năm 2016, Christian Burgess, một nhà thần kinh học tại Đại học Michigan, và các đồng nghiệp của ông đã làm một thí nghiệm trên chuột. Họ cho hai nhóm chuột no và chuột đói xem một hình ảnh liên quan đến thức ăn. Kết quả là một vùng vỏ não thị giác của những con chuột đã bị kích thích nhiều hơn khi chúng đói.
Sau khi những con chuột đói được ăn no, sự kích thích này lại giảm xuống. Tương tự, các nghiên cứu trên người cũng phát hiện, thức ăn sẽ gợi lên phản ứng mạnh mẽ hơn ở một số vùng não khi các tình nguyện viên bị bỏ đói so với sau khi họ ăn no.
Nhưng về bản chất vật lý, Burgess cho biết dù bạn có đói hay không, "các photon đập vào võng mạc của bạn vẫn đều giống hệt nhau. Duy chỉ có sự tái trình hiện chúng trong não của bạn là rất khác, bởi vì [[khi đói] bạn đã có sẵn cho mình mục tiêu [là thức ăn]. Đó là thứ cơ thể bạn biết rằng bạn cần tới, và nó sẽ hướng sự chú ý của bạn theo cách giúp đáp ứng nhu cầu đó".
Nhưng điều gì sẽ xảy ra, nếu bạn không chỉ đói một vài tiếng đồng hồ, mà còn lâu hơn thế? Các nhà nghiên cứu nhận ra não bộ lúc này có thể "quay xe". Nó sẽ giảm hoạt động, tắt các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nhất để đi vào trạng thái "tiết kiệm pin".
Bằng chứng đầu tiên về hiệu ứng này được quan sát thấy vào năm 2013, trong một nghiên cứu trên não bộ của loài ruồi. Hai nhà khoa học Pierre-Yves Plaçais và Thomas Preat thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp và ESPCI Paris đã phát hiện khi ruồi đói, chúng sẽ tắt một đường dẫn trong não. Các vùng này bình thường có nhiệm vụ giúp ruồi hình thành trí nhớ dài hạn, và hoạt động đó tiêu tốn rất nhiều năng lượng.
Nếu các nhà khoa học can thiệp vào não ruồi để buộc con đường ký ức này kích hoạt trở lại, những con ruồi sẽ chết đói rất nhanh so với khi chúng tắt quá trình đó để bảo toàn năng lượng – và có lẽ là cả mạng sống.
Tuy nhiên, câu hỏi tiếp theo mà các nhà khoa học đặt ra là: Liệu những bộ não lớn hơn, có nhận thức cao hơn như của động vật có vú, bao gồm con người có làm được điều tương tự hay không?
Họ cũng không rõ liệu còn có chế độ tiết kiệm năng lượng nào mạnh hơn nữa, thứ sẽ được kích hoạt trước khi động vật chết đói? Và còn một nghịch lý nữa: Nếu năng lượng tới não bộ bị cắt giảm quá sớm, nó có thể ảnh hưởng tới khả năng nhận biết và tìm kiếm thức ăn của động vật.
Tất cả những câu hỏi này bây giờ đã được giải quyết trong nghiên cứu mới của phòng thí nghiệm Nathalie Rochefort. Bài báo đăng trên tạp chí Neuron của họ lần đầu tiên cung cấp một cái nhìn vào biên giới của hai quá trình, khi não bộ vừa thích ứng để tiết kiệm năng lượng vừa đảm bảo sinh vật sẽ tìm thấy thức ăn mà chúng cần trong thời gian dài.
Cụ thể, với một thí nghiệm kéo dài 3 tuần, các nhà nghiên cứu đã hạn chế lượng thức ăn với một nhóm chuột, cho đến khi chúng giảm được 15% trọng lượng cơ thể.
Điều đặc biệt là chúng không bị đói: Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đã cho lũ chuột của mình ăn no ngay trước khi thí nghiệm bắt đầu, để ngăn chặn những thay đổi thần kinh phụ thuộc vào cơn đói trong thời gian ngắn mà Burgess và các nhóm nghiên cứu khác đã tìm thấy. Những con chuột về cơ bản chỉ là không nhận được nhiều năng lượng như mức chúng cần mà thôi.
Công việc tiếp theo là nghe trộm cuộc trò chuyện giữa các tế bào thần kinh của chuột. Các nhà nghiên cứu sẽ đo số lượng xung điện áp - là tín hiệu điện mà tế bào thần kinh sử dụng để giao tiếp - được gửi đi bởi một số ít tế bào thần kinh trong vỏ não thị giác. Các xung này được đo khi lũ chuột được cho xem một hình ảnh có các thanh màu đen được định hướng ở các góc độ khác nhau.
Các tế bào thần kinh khác nhau trong vỏ não thị giác phản ứng với các thanh ngang có định hướng ưu tiên. Ví dụ: nếu hướng ưu tiên của một tế bào thần kinh là 120 độ, thì nó sẽ phát ra các xung điện áp thường xuyên hơn khi kích thích thị giác có các phần tử nằm ở góc bằng hoặc gần 120 độ. Tỷ lệ các xung điện áp này giảm xuống đáng kể khi góc đó lớn hơn hoặc nhỏ hơn rất nhiều so với độ vuông mặc định.
Trước đây, các nhà khoa học đã biết tế bào thần kinh chỉ có thể phát ra các xung điện áp khi điện áp bên trong của chúng đạt đến ngưỡng tới hạn - bằng cách bơm các ion natri tích điện dương vào tế bào.
Nhưng sau khi đã phát ra các xung điện áp này, các tế bào thần kinh sẽ phải bơm tất cả các ion natri trở lại. Năm 2001, các nhà khoa học đã chứng minh bơm natri ngược là một trong những quá trình đòi hỏi nhiều năng lượng nhất trong não bộ.
Vì vậy, các tác giả nghiên cứu mới đã nhắm vào quá trình tốn kém năng lượng này, để tìm ra bằng chứng về các thủ thuật tiết kiệm năng lượng của não bộ. Ý tưởng là tại đâu não tiêu thụ nhiều năng lượng nhất chính là nơi nó nhạy cảm nhất với trạng thái đói.
Kết quả đúng không nằm ngoài dự đoán. Khi thức ăn khan hiếm, tế bào thần kinh ở những con chuột sẽ tự động giảm tải dòng điện di chuyển qua màng của chúng - nghĩa là số lượng các ion natri đi vào - vì vậy chúng không phải tốn nhiều năng lượng để bơm các ion natri trở lại sau khi đã phát ra các xung điện áp.
Về mặt logic mà nói, việc hấp thụ ít natri hơn sẽ dẫn đến ít xung điện áp phát ra hơn, nhưng bằng cách nào đó, những con chuột đói vẫn duy trì được một tỷ lệ xung tương tự những con chuột được ăn uống đầy đủ. Vì vậy, các nhà nghiên cứu dự đoán phải có các quá trình bù đắp nào đó xảy ra để duy trì tỷ lệ các xung điện áp trong vỏ thị giác này.
Tiếp tục tìm hiểu sâu hơn, họ đã phát hiện ra hai thay đổi, cả hai đều giúp tế bào thần kinh tạo ra các xung điện áp dễ dàng hơn. Đầu tiên, các tế bào thần kinh tăng điện trở đầu vào của chúng, làm giảm dòng điện tại các khớp thần kinh của mình. Đồng thời, chúng cũng nâng cao hiệu điện thế trong chế độ nghỉ của màng, để nó tiệm cần gần hơn đến ngưỡng cần thiết để tạo ra một xung điện áp.
Anton Arkhipov, một nhà khoa học thần kinh tính toán tại Viện Khoa học não bộ ở Seattle, cho biết: Có vẻ ngay cả trong trạng thái đói, bộ não vẫn phải duy trì các xung điện áp này trong thời gian dài. Vì vậy, chúng chắc chắn phải có một vai trò vô cùng quan trọng với sinh vật. Nếu không, não bộ chỉ đơn giản là tắt hết chúng đi là đã tiết kiệm được một lượng lớn năng lượng cho mình.
Tất nhiên, duy trì tỷ lệ các xung điện áp phải đòi hỏi não bộ phải hi sinh thứ gì đó. Cụ thể ở đây, đó là các tế bào ở vỏ thị giác đã không còn có thể chọn lọc được góc và tuyến mà các xung này truyền tới. Hậu quả là phản ứng của chúng trở nên kém chính xác hơn.
Chuyển sang chế độ xem có độ phân giải thấp
Để kiểm tra xem liệu nhận thức thị giác có bị ảnh hưởng bởi sự giảm độ chính xác của các tế bào thần kinh hay không, các nhà nghiên cứu đã đưa những con chuột vào một thí nghiệm mới.
Họ nhốt chúng vào một buồng dưới nước có hai hành lang, mỗi hành lang được đánh dấu bằng một hình ảnh khác nhau của các thanh đen nằm nghiêng ở một góc cố định trên nền trắng. Một trong hai hành lang này có một bệ ẩn mà khi con chuột tới đó, nó có thể sử dụng để thoát lên khỏi mặt nước.
Những con chuột được đào tạo trước để quen với góc nghiêng nào của các thanh đen tương ứng với bên có bệ ẩn và lối thoát. Nhưng bằng cách làm cho các góc nghiêng của thanh đen trong hai đường hầm giống nhau hơn, các nhà khoa học sẽ đòi hỏi thị giác của những con chuột phải làm việc ở độ phân giải cao hơn để phát hiện ra chúng.
Kết quả cho thấy khi những con chuột thiếu thức ăn, chúng vẫn dễ dàng tìm thấy lối ra, khi sự khác biệt giữa hai hình ảnh còn lớn. Tuy nhiên, khi sự khác biệt giữa các góc của thanh ngang trong hình nhỏ hơn 10 độ, đột nhiên những con chuột không còn phân biệt được chúng chính xác như trước nữa. Chúng đã không tìm được đường ra, so với những con chuột được cho ăn đầy đủ.
Vậy là hệ quả của việc tiết kiệm năng lượng trong não bộ, trong khi vẫn duy trì các xung điện áp là chuột phải hạ độ phân giải của thế giới mà chúng nhìn thấy xuống một mức độ nhất định.
Não bộ vẫn ưu tiên các chức năng quan trọng cho sự sống còn khi lũ chuột đói. Thị giác vẫn phải hoạt động nhưng nó coi sự khác biệt 10 độ trong hướng của các thanh ngang không còn cần thiết nữa. Có lẽ não bộ lũ chuột thấy điều đó không ảnh hưởng tới việc tìm thấy trái cây ở khoảng cách gần hoặc phát hiện ra một kẻ săn mồi đang rình rập.
Lindsey Glickfeld, một nhà thần kinh học nghiên cứu về thị lực tại Đại học Duke, cho biết ông còn bất ngờ hơn vì những suy giảm về nhận thức này xảy ra rất sớm, trước thời điểm con vật rơi vào trạng thái đói.
"Tôi hoàn toàn bị làm cho ngạc nhiên. Bằng cách nào đó, hệ thống [thị giác] đã tìm ra được phương án này để giảm sử dụng năng lượng ồ ạt. Và nó chỉ đơn thuần là việc giảm độ phân giải của thế giới, đây là một sự thay đổi tương đối tinh vi đối với động vật, trong khả năng thực hiện nhiệm vụ tri giác của chúng", Glickfeld nói.
Hiện tại, nghiên cứu chỉ cho chúng ta biết chắc chắn rằng động vật có vú có khả năng bật cơ chế tiết kiệm điện trong các tế bào thần kinh vỏ não thị giác. Nhưng như Rochefort và các đồng nghiệp nghi ngờ nó có thể còn xảy ra ở các vùng vỏ não khác nữa.
Nhiều nhà nghiên cứu khác cũng nghĩ như vậy. Maria Geffen, một nhà thần kinh học tại Đại học Pennsylvania, cho biết: "Nhìn chung, các tế bào thần kinh hoạt động rất giống nhau trên các khu vực của vỏ não".
Cô ấy nghĩ rằng cơ chế tiết kiệm năng lượng cũng có thể xảy ra trên tất cả các giác quan khác trong quá trình nhận thức, khi não bộ xác định được đâu là hoạt động hữu ích nhất cho sinh vật tại thời điểm chúng đói và lọc bỏ mọi thứ khác không cần thiết.
"Trong hầu hết thời gian, chúng ta không sử dụng toàn bộ các giác quan của mình đến giới hạn mà chúng có thể đạt tới. Tùy thuộc vào nhu cầu hành vi, bộ não luôn luôn tạo ra các điều chỉnh", Geffen nói.
May mắn thay, bất kỳ vết mờ nào xuất hiện trong tầm nhìn khi đói sẽ được khôi phục lại, mà đôi khi không cần lũ chuột phải nạp năng lượng. Cụ thể, các nhà nghiên cứu tại Nathalie Rochefort's lab cho biết họ đã tìm ra được cách tắt "chế độ tiết kiệm pin", hay bật lại chế độ hoạt động bình thường của thị giác chuột.
Điều này được thực hiện chỉ bằng cách tiêm một liều leptin, là hormone mà cơ thể sử dụng để điều chỉnh sự cân bằng năng lượng và cảm giác đói. Leptin bây giờ được ví như chiếc công tắc bật và tắt chế độ tiết kiệm pin trong não chuột.
Sau khi được bật trở lại, các tế bào thần kinh của chúng đã lại phản ứng với thế giới ở độ chính xác cao. Độ phân giải của thị giác cũng đã trở lại, những khiếm khuyết về tri giác cuối cùng đã biến mất.
Cần phải nhấn mạnh một lần nữa, các hiệu ứng này xảy ra mà không cần những con chuột phải ăn vào một chút thức ăn nào. "Sau khi cung cấp leptin, chúng tôi có thể đánh lừa não bộ của chúng để khôi phục chức năng vỏ não", Rochefort nói.
Vì leptin được giải phóng bởi các tế bào mỡ, các nhà khoa học tin rằng sự hiện diện của nó trong máu có khả năng báo hiệu cho não rằng động vật đang ở trong môi trường có nhiều thức ăn và không cần phải tiết kiệm năng lượng nữa.
Ngược lại, nghiên cứu mới đặt ra giả thuyết cho thấy lượng leptin thấp sẽ có tác dụng cảnh báo não về tình trạng cơ thể bị suy dinh dưỡng. Và sau đó, nó chuyển não bộ sang chế độ năng lượng thấp.
Julia Harris, một nhà khoa học thần kinh tại Viện Francis Crick ở London, cho biết: "Hiếm khi có một kết quả nghiên cứu nào lại làm thỏa mãn và hài lòng như những kết quả nghiên cứu này đạt được. Đó là một phát hiện tuyệt đẹp và phù hợp với sự hiểu biết hiện tại của chúng ta".
Nhưng nó có thể phủ nhận các kết quả nghiên cứu khoa học thần kinh từ trước đến nay?
Một nghiên cứu chất lượng cũng là một nghiên cứu đặt ra nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời. Và đây là điều mà một số nhà khoa học đang lo ngại.
Phần lớn những hiểu biết của chúng ta ngày nay, về cách não bộ và tế bào thần kinh hoạt động, đã được rút ra từ những nghiên cứu trên động vật. Trong đó, các nhà khoa học có thể đã vô tình đưa chúng vào chế độ tiết kiệm năng lượng.
Những con chuột trước khi tham gia vào thí nghiệm thường được cho nhịn đói hoặc hạn chế lượng thức ăn trong vài tuần. Phương pháp tạo cảm giác đói này cực kỳ phổ biến khi các nhà khoa học muốn lũ chuột phải thực hiện một nhiệm vụ nào đó để đổi lấy phần thưởng là thức ăn.
Nếu họ không bỏ đói lũ chuột, chúng chỉ đơn giản chỉ muốn ngồi im trong lồng và chẳng làm gì cả. Nếu vậy, điều đó giống như việc bạn đang đo hiệu năng của một con chip điện thoại trong khi chiếc điện thoại được bật chế độ "tiết kiệm pin"?
"Một tác động thực sự sâu sắc từ nghiên cứu mới này, là nó cho thấy rõ việc hạn chế thực phẩm sẽ gây ảnh hưởng tới chức năng của não bộ", Rochefort nói. Cô gợi ý những thay đổi quan sát được trong dòng ion tích điện có thể có vai trò đặc biệt quan trọng đối với quá trình học tập và ghi nhớ, vì chúng dựa trên những thay đổi cụ thể xảy ra ngay tại các khớp thần kinh.
Glickfeld thì nói: "Bây giờ, chúng ta phải suy nghĩ thật kỹ về cách thiết kế các thí nghiệm và cách chúng ta giải thích các thí nghiệm mỗi khi chúng ta muốn đặt câu hỏi về độ nhạy cảm của nhận thức ở động vật hoặc độ nhạy của tế bào thần kinh".
Kết quả nghiên cứu của Nathalie Rochefort's lab bây giờ cũng mở ra những câu hỏi hoàn toàn mới về cách các trạng thái sinh lý và tín hiệu hormone khác có thể ảnh hưởng đến não, và liệu nồng độ hormone trong máu có thể khiến các cá nhân nhìn nhận thế giới khác đi một chút hay không?
Rune Nguyen Rasmussen, một nhà thần kinh học tại Đại học Copenhagen, lưu ý rằng mỗi người chúng ta đều có nồng độ leptin và một cấu hình trao đổi chất tổng thể khác nhau. "Vậy điều đó có nghĩa là, nhận thức thị giác có thể sẽ khác nhau, đối với mỗi cá nhân, và trên từng người, mặc dù chúng ta có thể đang không nhận thức được sự khác nhau đó", Rasmussen nói.
Rasmussen nghĩ có vẻ như nhận thức thị giác có ý thức của những con chuột đã bị ảnh hưởng bởi tình trạng thiếu thức ăn, bởi vì có những thay đổi trong biểu thị tế bào thần kinh của những nhận thức đó và trong hành vi của động vật đã được nghiên cứu mới chỉ ra.
Tuy nhiên, chúng ta không thể biết chắc chắn, "vì điều này đòi hỏi các loài động vật phải mô tả cho chúng ta trải nghiệm thị giác chất lượng cao của chúng, và rõ ràng đây là điều chúng không thể làm được", Rasmussen cho biết thêm.
Câu hỏi đặt ra tiếp theo lúc này là liệu các tế bào thần kinh ở vỏ não thị giác của các loài động vật có vú khác bao gồm cả con người có hoạt động giống như vậy hay không? Glickfeld dự đoán câu trả lời là có: "Bởi tôi nghĩ bởi đây thực sự là một cơ chế tương đối cơ bản của tế bào thần kinh".