Mắt người có thể xử lý 10 triệu bít mỗi giây

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Y khoa Pennsylvania đánh giá rằng võng mạc người có thể truyền tín hiệu thị giác tương đương với một kết nối Ethernet. Ethernet là chuẩn kết nối hệ thống mạng cục bộ phổ biến nhất hiện nay, cho phép truyền dữ liệu giữa các máy tính với tốc độ từ 10 đến 100 triệu bit mỗi giây, với thông lượng thực tế 2 đến 3 triệu bít mỗi giây. Nghiên cứu hướng đến so sánh cách xử lý thông tin của hệ thống thần kinh và hệ thống thị giác nhân tạo nhằm đưa ra những cơ sở để thiết kế hệ thống thị giác nhân tạo.

Nhiều nghiên cứu cơ bản hướng đến tìm hiểu kiểu thông tin mà não bộ nhận được; nghiên cứu này hướng đến câu hỏi bằng cách nào. Sử dụng võng mạc nguyên vẹn lấy từ chuột lang, các nhà khoa học ghi lại những nhánh xung điện phát ra từ các tế bào hạch bằng một mạng ăng ten đa điện cực thu nhỏ. Các nhà khảo sát tính toán rằng mắt người có thể truyền xấp xỉ 10 triệu bít dữ liệu mỗi giây.

Thực tế võng mạc là một phần não lớn lên trong mắt, đảm nhận việc xử lý các tín hiệu thần kinh khi phát hiện ra ánh sáng. Các tế bào hạch sẽ chuyển tiếp dữ liệu từ võng mạc đến trung tâm não bộ. Những tế bào thần kinh khác trong võng mạc sẽ thực hiện việc phân tích khung cảnh trực quan. Các sợi thần kinh nối với tế bào hạch trên võng mạc cùng với các tế bào hỗ trợ khác tạo thành dây thần kinh mắt sẽ truyền tín hiệu đến não bộ.

Nhóm nghiên cứu cho biết có khoảng 10 đến 15 kiểu tế bào hạch tập trung ở võng mạc có nhiệm vụ phân loại chuyển động & phối hợp với nhau để đầy đủ hình ảnh về não. Nghiên cứu được tiến hành trên việc đánh giá lượng thông tin truyền đến não của 7 nhóm tế bào hạch này.

Võng mạc chuột lang được đặt trên một cái đĩa và được xem 4 loại chuyển động sinh học. Thí dụ một con kỳ nhông bơi trong bể nước, đại diện cho một đối tượng - sự kích thích chuyển động. Các nhánh xung điện sẽ được một mạng ăng ten đa điện cực thu nhận & ghi lại. Các nhà nghiên cứu sẽ phân loại tế bào thành hai loại: "nhanh nhẹn" hoặc "chậm chạp" dựa trên tốc độ của chúng.

Hình ảnh phóng đại về một dạng tế bào “nhanh nhẹn” và “chậm chạp” ở võng mạc loài chuột lang. (Ảnh: Uphs.upenn.edu)

Các nhà nghiên cứu nhận thấy có những đường nhánh xung điện khác biệt giữa các loại tế bào. Nhìn chung, trong mỗi giây, tế bào nhanh nhẹn kích thích nhiều nhánh xung điện và nhận được nhiều phản hồi. Tương phản lại, các tế bào chậm chạp chỉ kích thích một vài nhánh xung điện trong mỗi giây và nhận được rất ít tín hiệu phản hồi.

Nhưng điều gì nằm trong mỗi quan hệ giữa các nhánh xung điện và thông tin được gửi đi? "Đó là sự kết hợp giữa các kiểu đường xung điện truyền thông tin. Những đường này mang nhiều ý nghĩa khác nhau", Vijay Balasubramanian - giáo sư, tiến sỹ vật lý tại Đại học Pennsylvania cho biết. "Chúng tôi xác định số lượng đường & tính toán bao nhiêu thông tin được truyền bởi mỗi đường, tức số bít được truyền mỗi giây".

Tính toán tương ứng với mỗi loại tế bào võng mạc, nhóm nghiên cứu ước lượng có khoảng 100000 tế bào hạch ở chuột lang đảm nhận việc truyền 875000 bít dữ liệu mỗi giây. Bởi số lượng tế bào "chậm chạp" rất đông đảo nên chúng đảm nhận chủ yếu vai trò truyền tải thông tin. Với 1000000 tế bào hạch, mắt người có thể truyền dữ liệu xấp xỉ tốc độ kết nối của một mạng Ethernet, tương đương 10 triệu bít mỗi giây.

"Càng nhiều nhánh xung điện hoạt động thì trao đổi chất diễn ra càng cao", nghiên cứu sinh Kristin Koch hiện đang làm việc tại phòng thí nghiệm của giáo sư Sterling nói. Chúng tôi nhận thấy rằng những tế bào chậm chạp lại "rẻ hơn" về mặt trao đổi chất, bởi chúng gửi nhiều thông tin hơn đến mỗi nhánh. Nếu thông tin được gửi ở nhịp độ cao thì não sẽ sử dụng những kênh nhanh nhẹn. Nhưng nếu một thông tin có điều kiện gửi chậm chạp hơn thì não sử dụng những kênh chậm chạp bởi não sẽ chỉ phải trao đổi chất thấp hơn".

Peter Sterling - giáo sư thần kinh học tại Pennsylvania cho biết: "Cho đến tận bây giờ những tế bào chậm chạp vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Điều đáng ngạc nhiên là những hoạt động mà chúng quyết định & điều khiển, những tế bào chậm chạp đảm nhận phần lớn vai trò trọng yếu trong toàn bộ những thông tin được truyền đi".

Đồng tác giả của công trình này gồm: Judith McLean và Michael A. Freed thuộc Đại học Pennsylvania, Ronen Segev và Michael J. Berry III, thuộc Đại học Princeton.