Giấc ngủ giúp não bộ xóa bớt ký ức như thế nào?

Chúng ta dùng một phần ba cuộc đời để ngủ nhưng không biết chính xác lí do tại sao con người cần phải ngủ. Có nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng bộ não vẫn tiếp tục “dọn dẹp” và xóa đi những thông tin không cần thiết khi chúng ta ngủ. Theo một giả thuyết khác giấc ngủ đóng vai trò quan trọng trong việc khôi phục lại sự cân bằng của các khớp nối synapse (phần tiếp xúc giữa hai neuron thần kinh trong não, có chức năng chuyển thông tin từ tế bào này sang tế nào khác) trong não nhằm nâng cao khả năng học tập, và hai nghiên cứu mới được đăng trên Science đã cung cấp thêm bằng chứng trực tiếp nhất để chứng minh giả thuyết này.

Chúng ta biết rằng giấc ngủ rất quan trọng cho việc tổng hợp những ký ức mới. Trong khi thức, chúng ta học được rất nhiều loại thông tin, theo cả cách có chủ đích và không có chủ đích. Để lưu trữ chúng, bộ não phải chỉnh sửa một số lượng lớn các khớp nối thần kinh synapse (synaptic connections), làm cho chúng lớn hơn và khỏe hơn. Và khi chúng ta ngủ, những synapse sẽ bị yếu đi hoặc bị phá hủy. Nhờ đó, những thông tin mới, quan trọng sẽ được lưu giữ lại để sau này sử dụng, trong khi những thông tin không cần thiết có thể sẽ làm ảnh hưởng đến việc tiếp nhận kiến thức sẽ bị loại bỏ.

Hình 3D cho thấy cấu trúc của phần đuôi gai trong phần vỏ não trước của chuột. 

Tuy nhiên, nhà thần kinh học Giulio Tononi (ĐH Wisconsin) tranh luận ngược lại rằng, việc tăng cường các tiếp xúc thần kinh đó để hỗ trợ cho việc học tập đã làm tăng mức tiêu hao năng lượng của não bộ và có thể khiến cho bộ não bị quá tải trong quá trình lưu trữ thông tin. Giả thuyết tự cân bằng synaptic của ông cho rằng, giấc ngủ đã bình thường hóa lại toàn bộ synapse của tế bào não và một lượng lớn synapse sẽ bị "thu hẹp" khi bộ não nghỉ ngơi trong lúc ngủ để tái cân bằng sau khi đã não bộ đã hoạt động trí óc mạnh mẽ trong quá trình học tập.

TS. Tononi và đồng sự Chiara Cirelli đã chỉ ra rằng ngay cả trong những quãng ngắn ngủi trong lúc ngủ hoặc thức, hoạt động của các khớp thần kinh synaptic này cũng biến đổi ở nhiều cấp độ, và làm cho chúng co lại hoặc lớn lên một cách trình tự. Nghiên cứu gần đây nhất của họ dường như đã chỉ ra rằng các khớp thần kinh synaptic trong bộ não của chuột bị thu hẹp lại trong khi chúng ngủ.

Trong một nghiên cứu mới đây, của Luisa de Vivo, đã theo dõi não bộ của 4 con chuột đã ngủ, 4 con được giữ cho tỉnh táo để chơi đồ chơi mới và 4 con tự tỉnh táo, và sử dụng kỹ thuật dùng kính hiển vi điện tử quét và phác thảo khuôn mặt theo thứ tự để tạo ra hình ảnh 3D có độ phân giải cao của khoảng 7,000 khớp thần kinh trong 2 khu vực khác nhau của vỏ não trước (nhóm nghiên cứu đã mất hơn bốn năm để triển khai kỹ thuật này).

Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra hàng nghìn hình ảnh, để nhằm tính toán tổng khu vực bề mặt giữa đoạn cuối dây thần kinh và phần đuôi gai (dendritic spines), phần nhỏ nhô ra giống hình ngón tay, nơi hoạt động như điểm tiếp nhận cuối cùng của các synapse và cũng là phần phát triển lớn nhất khi các synapse trở nên mạnh mẽ hơn. Họ đã phát hiện ra rằng khi bọn chuột đang ngủ, tỉ lệ này đã giảm khoảng 18% so với những con chuột tỉnh táo. Nói cách khác, nó giảm toàn bộ số lượng các khớp thần kinh. Và đúng hơn là trở về hình dạng cũ, phần bị thu hẹp chỉ hạn chế trong phần gai nhỏ và dư thừa một lượng lớn synapse sản sinh ra trong khi học tập - phù hợp với ý kiến cho rằng các khớp thần kinh sẽ giảm xuống trong quá trình ngủ.

Nghiên cứu thứ 2 đã cung cấp thêm bằng chứng cho giả thuyết tự cân bằng synaptic và cũng chỉ ra cơ chế phân tử bên trong quá trình tự thu hẹp các tiếp hợp thần kinh khi ngủ.

TS. Graham Diering ở đại học Johns Hopkins và các đồng nghiệp đã khảo sát xem các synapse biến đổi như thế nào trong vòng tròn ngủ - thức. Họ đã sử dụng hình ảnh 2-photon để hiển thị định dạng huỳnh quang của những tiếp hợp protein trong não của chuột sống và sử dụng các phương pháp proteomic để lọc và phân tích những protein từ những đuôi gai.

Họ cũng đã phát hiện ra rằng giấc ngủ có liên quan đến sự suy giảm kích thước của những đuôi gai và với khoảng 20% sự thu hẹp cấp độ của một phân tử gọi là đại phân tử AMPA - đã bị chuyển ra khỏi những phần gai bị co lại. Khi những con chuột còn thức, một loại tế bào được gọi là Homer đã ràng buộc những thụ thể (receptor) và những cặp phân tử khác trong một tổ hợp và chúng được lưu trữ tại synapse bên dưới màng tế bào Trong khi ngủ, một biến thể ngắn gọi là Homer 1a xâm nhập vào những đuôi gai để tách rời những tổ hợp này và làm di chuyển những thụ thể AMPA đã bị co lại và yếu đi trong liên kết.

Họ đã tạo con chuột biến đổi gene – bỏ đi gene Homer 1a. Thì những con chuột này vẫn trao đổi chất bình thường khi ngủ, nhưng cấu tạo protein trong những đuôi gai không thay đổi, đã chứng tỏ rằng Homer 1a hoạt động với vai trò chủ yếu trong quá trình thu hẹp các synapse.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã nhóm đàn chuột vào một vị trí cố định để thực hành việc sốc điện và tiêm cho vài con trong số đó một loại thuốc ngăn chặn Homer 1a xâm nhập từ đuôi gai. Sau đó, họ chuyển đàn chuột đến môi trường mới. Những con chuột không bị tiêm thuốc rất thoải mái khám phá nơi ở mới nhưng những con đã bị tiêm thuốc thì chỉ nằm một góc - một kiểu hành động khi lo lắng và sợ hãi - đã cho thấy rằng chúng vẫn lưu trữ những ký ức khi bị bị sốc điện trước đó.

Cùng với đó, nhiều nghiên cứu đã cung cấp bằng chứng xác thực giả thuyết về sự tự cân bằng synapse. Chúng giúp chúng ta giải thích được tại sao giấc ngủ có lợi ích lớn cho chức năng thần kinh và tại sao – “uốn lưỡi trước khi nói” ("sleep on it”) " lại có thể giúp chúng ta suy nghĩ thấu đáo hơn.

Tuy nhiên, nhiều câu hỏi vẫn còn đang bỏ ngỏ. Ví dụ như, các synapse thu hẹp như thế nào? Người ta vẫn biết rằng các tế bào miễn dịch được gọi là tiểu thần kinh đệm (microglia) “quét dọn” bớt các synapse, nhưng chúng cũng tham gia quá trình thu hẹp các synapse hay không? Quá trình thu hẹp synapse có mối liên kết như thế nào đến hoạt động thần kinh trong quá trình tiếp thu kiến thức và ghi nhớ? Và điều đó đóng góp vào quá trình tạo ra những ký ức lâu dài như thế nào?