MRI: CỬA SỔ NHÌN VÀO TRONG BỘ NÃO
Để hiểu lý do tại sao công nghệ mới triệt để này đã giúp giải mã bộ não đang suy nghĩ, chúng ta phải chuyển sự chú ý của chúng ta sang một số nguyên tắc cơ bản của vật lý.
Sóng vô tuyến, một loại bức xạ điện từ, có thể truyền qua mô mà không làm hỏng. Máy MRI lợi dụng thực tế này, cho phép sóng điện từ tự do thâm nhập vào hộp sọ. Trong quá trình ấy, công nghệ này đã cho chúng ta những bức ảnh tráng lệ về một cái gì đó từng được cho là không thể nắm bắt được: những hoạt động bên trong của bộ não khi nó trải qua cảm giác và cảm xúc. Việc xem điệu nhảy của ánh sáng nhấp nháy trong một máy MRI, người ta có thể theo dõi những suy nghĩ đang di chuyển trong não. Nó giống như có thể nhìn thấy bên trong của một chiếc đồng hồ khi nó kêu tick tack.
Điều đầu tiên bạn cần chú ý về một máy MRI là các cuộn dây từ tính hình trụ khổng lồ, thứ có thể tạo ra từ trường lớn hơn độ mạnh của Trái đất từ hai mươi sáu mươi nghìn lần. Nam châm khổng lồ là một trong những lý do chính đáng tại sao một máy MRI có thể nặng một tấn, lấp đầy toàn bộ một căn phòng và tốn vài triệu đô la. (Máy MRI an toàn hơn máy X quang vì chúng không tạo ra các ion độc hại. Quét thăm dò CT, cách ấy cũng có thể tạo ra những hình ảnh 3-D, làm ngập cơ thể với một liều lượng gấp nhiều lần hơn so với một lần chụp X-quang bình thường, và do đó phải được kiểm soát cẩn thận. Ngược lại, các máy MRI được an toàn khi sử dụng đúng cách. Tuy nhiên, một vấn đề là sự bất cẩn của người lao động. Từ trường đủ mạnh ấy thì có sức mạnh đủ để làm cho các dụng cụ bị ném bay qua không khí ở tốc độ cao khi được bật mở lên sai thời gian. Có người đã bị thương và thậm chí bị giết theo cách này.)
Máy MRI hoạt động như sau: Bệnh nhân nằm ngang thẳng ra và được đưa vào một ống xy lanh có chứa hai cuộn dây lớn, thứ ấy tạo ra từ trường. Khi từ trường được bật/mở lên, hạt nhân của các nguyên tử bên trong cơ thể bạn hoạt động giống như chiếc kim la bàn: chúng sắp xếp theo chiều ngang dọc theo hướng của trường từ đang ở chế độ bật. Sau đó, một xung của năng lượng vô tuyến nhỏ được tạo ra, khiến cho một số hạt nhân trong cơ thể chúng ta lật ngược lên/xuống. Khi hạt nhân quay trở lại vị trí bình thường của chúng, chúng phát ra một xung thứ cấp của năng lượng vô tuyến, thứ này sau đó được phân tích bởi máy MRI. Bằng cách phân tích những "tiếng vang/vọng lại" nhỏ bé này, người ta có thể tái tạo lại vị trí và lúc bình thường tự nhiên của những nguyên tử này. Giống như một con dơi, sử dụng tiếng vọng lại để xác định vị trí của các vật thể trong đường đi của nó, những tiếng vang do máy MRI tạo ra cho phép các nhà khoa học tái tạo một hình ảnh đáng chú ý bên trong của bộ não. Máy tính sau đó tái tạo lại vị trí của các nguyên tử, cho chúng ta những sơ đồ đẹp dễ trong ba chiều.
Khi các máy MRI được giới thiệu thời kỳ ban đầu, chúng có thể cho thấy cấu trúc tĩnh của não và các vùng khác nhau của nó. Tuy nhiên, vào giữa những năm 1990, một loại MRI mới được phát minh, được gọi là MRI "chức năng –functional", hoặc fMRI, đã phát hiện sự hiện diện của oxy trong máu trong não. (Đối với các loại máy MRI khác nhau, các nhà khoa học đôi khi đặt một chữ viết thường ở phía trước "MRI", nhưng chúng ta sẽ sử dụng chữ viết tắt MRI để biểu thị tất cả các loại máy MRI khác nhau.) Quét MRI không thể phát hiện trực tiếp dòng chảy của điện tích trong tế bào thần kinh, nhưng vì oxy cần thiết để cung cấp năng lượng cho các tế bào thần kinh, động thái oxy hóa trong máu có thể theo dõi gián tiếp dòng chảy của năng lượng điện trong các tế bào thần kinh và cho thấy các vùng khác nhau của não tương tác với nhau như thế nào.
Những lần quét MRI này đã dứt khoát bác bỏ ý tưởng rằng suy nghĩ được tập trung ở một trung tâm duy nhất. Thay vào đó, người ta có thể thấy năng lượng điện lưu thông qua các phần khác nhau của não khí nó thực hiện hành động suy nghĩ. Bằng cách truy tìm con đường được thực hiện bởi những suy nghĩ của chúng ta, quét MRI đã rọi ánh sáng mới vào bản chất của bệnh Alzheimer, Parkinson, tâm thần phân liệt, và một loạt các bệnh tâm thần khác.
Ưu điểm lớn của máy MRI là khả năng tinh tế của chúng để xác định vị trí các phần rất nhỏ của bộ não, xuống đến một miếng nhỏ cỡ một milimét về kích thước nơi não bộ. Chụp quét MRI sẽ không chỉ tạo ra các chấm trên màn hình hai chiều, được gọi là pixel, mà là các chấm trong không gian ba chiều, được gọi là "voxels", tạo ra một bộ sưu tập rực rỡ gồm hàng chục nghìn chấm màu trong 3-D, trong hình dạng của một bộ não.
Vì các yếu tố hóa học khác nhau phản ứng với các tần số khác nhau của radio, bạn có thể thay đổi tần số của xung radio và do đó xác định các yếu tố khác nhau của cơ thể. Như đã lưu ý, các máy fMRI có [chỉ độ là không – zero in] trên nguyên tử oxy chứa trong máu trong việc đo lường lưu lượng máu, nhưng các máy MRI cũng có thể được điều chỉnh để xác định các nguyên tử khác. Chỉ trong thập kỷ qua, một mô hình mới của MRI đã được giới thiệu gọi là "MRI cho hình ảnh cộng hưởng từ khuếch tán – Diffusion Tensor Imaging MRI", dùng để phát hiện dòng chảy của phân tử nước trong não. Vì nước đi theo các đường dẫn thần kinh của bộ não, DTI tạo ra những bức tranh đẹp giống như các mạng lưới dây leo mọc trong một khu vườn. Các nhà khoa học bây giờ có thể xác định ngay lập tức những phần tất định nào đó của bộ não, được nối kết với các bộ phận khác.
Tuy nhiên, có một vài nhược điểm đối với công nghệ MRI. Mặc dù chúng là vô song trong độ phân giải không gian, định vị các điểm ảnh 3 chiều – voxels xuống đến kích thước của một chấm nhỏ chính xác – pinpoint trong ba chiều, nhưng MRI không phải là tốt trong độ phân giải thời gian. Mất gần một giây để đi theo lối đi (the path) của máu trong bộ não, điều này nghe có vẻ không nhiều, nhưng hãy nhớ rằng các tín hiệu điện di chuyển gần như ngay lập tức trong não bộ, và do đó quét MRI có thể bỏ lỡ một số chi tiết rất phức tạp của các hình mẫu ý nghĩ – thought patterns.
Một thứ ngáng đường cho điều này nữa là về chi phí, thứ tốn kém hàng triệu đô la, vì vậy các bác sĩ thường phải chia sẻ thiết bị này. Nhưng giống như hầu hết các công nghệ, sự phát triển sẽ làm giảm chi phí theo thời gian.
Trong khi đó, chi phí cắt cổ vẫn đã không trì hoãn việc tìm kiếm các ứng dụng thương mại. Một ý tưởng là sử dụng quét MRI như máy dò nói dối, theo một số nghiên cứu, có thể xác định những lời nói dối với độ chính xác 95% hoặc cao hơn. Mức độ chính xác vẫn còn gây tranh cãi, nhưng ý tưởng cơ bản là khi một người nói dối, anh ta đồng thời phải biết sự thật, pha trộn với lời nói dối, và nhanh chóng phân tích tính nhất quán của lời nói dối này với những sự kiện đã được biết trước đó. Hôm nay một số tổ chức thương mại đang tuyên bố rằng công nghệ MRI cho thấy rằng các [thùy trán và đỉnh] nháy sáng lên khi ai đó nói dối. Cụ thể hơn, "vỏ não cầu mắt trước – orbitofrontal", (vùng có thể phục vụ, trong số các chức năng khác, như "kiểm tra thực tế" của bộ não để cảnh báo chúng ta khi có điều gì đó sai,) trở nên hoạt động. Khu vực này nằm ngay phía sau các hõm cầu mắt của mắt chúng ta, và do đó có tên gọi như vậy. Lý thuyết ở đây cho rằng vỏ não cầu mắt trước orbitofrontal hiểu được sự khác biệt giữa sự thật và lời nói dối và việc ấy kích thích nó chạy/vận động nhanh hơn như là một hệ quả. (Các khu vực khác của não cũng sáng lên khi ai đó nói dối, chẳng hạn như các vùng superiormedial và inferolateral thuộc vỏ não trán trước, có liên quan đến nhận thức – cognition.)
Đã có một số công ty thương mại cung cấp máy MRI như máy dò nói dối, và các trường hợp liên quan đến những máy này đang xâm nhập vào hệ thống tòa án. Nhưng điều quan trọng cần lưu ý là những lần quét MRI này chỉ ra hoạt động của não tăng lên ở một số khu vực hay vùng não nhất định. Trong khi đó kết quả DNA đôi khi có thể có độ chính xác một trong phần 10 tỷ hoặc tốt hơn, việc quét MRI không thể, vì nó có thể lấy nhiều khu vực khác nhau của não để pha trộn một lời nói dối, và đương nhiên cũng chính những khu vực tương tự này của não chịu trách nhiệm xử lý các loại suy nghĩ nữa.
Quét EEG
Một công cụ hữu ích khác để thăm dò sâu bên trong não là EEG, điện não đồ - electroencephalogram. EEG đã được giới thiệu nhiều cách đâu đó trở lại vào năm 1924, nhưng chỉ gần đây đã có thể sử dụng máy tính để lấy ra thông tin có ý nghĩa cho tất cả các dữ liệu khi chúng đang đổ vào từ mỗi điện cực.
Để sử dụng máy EEG, bệnh nhân thường trùm lên một chiếc mũ trông giống như nón đeo để nhìn vào tương lai với các điểm điện cực trên bề mặt. (Các phiên bản cao cấp hơn đặt một lướt bao sợi tóc trùm đầu có chứa một loạt các điện cực nhỏ.) Các điện cực này phát hiện các tín hiệu điện nhỏ đang lưu thông trong não.
Ở trên cùng, chúng ta thấy một hình ảnh được chụp bởi một máy MRI chức năng, cho thấy các khu vực có hoạt động tinh thần cao. Trong hình ảnh dưới cùng, chúng ta thấy mô hình giống như hoa được tạo ra bởi một máy MRI khuếch tán, thứ có thể lần theo các con đường thần kinh và các kết nối của bộ não.
Quá trình quét EEG khác với chụp MRI theo một số cách rất quan trọng. Việc quét MRI, như chúng ta đã thấy, bắn các xung vô tuyến vào não và sau đó phân tích các "tiếng vang" quay lại. Điều này có nghĩa là bạn có thể thay đổi xung radio để chọn các nguyên tử khác nhau để phân tích, khiến nó trở nên khá linh hoạt. Tuy nhiên, máy EEG là cực kỳ thụ động; nghĩa là, nó phân tích các tín hiệu điện từ nhỏ xíu mà bộ não phát ra một cách tự nhiên. EEG vượt trội trong việc ghi lại các tín hiệu điện từ rộng xuyên qua toàn bộ não, cho phép các nhà khoa học đo lường hoạt động tổng thể của não khi nó ngủ, tập trung, thư giãn, mơ, vv Các trạng thái khác nhau của ý thức dao động ở các tần số khác nhau. Ví dụ, giấc ngủ sâu tương ứng với sóng delta, dao động ở 0,1 tới 4 chu kỳ mỗi giây. Ở các trạng thái tinh thần hoạt động, chẳng hạn như khi đang giải quyết vấn đề, tương ứng với sóng beta, dao động từ 12 đến 30 chu kỳ mỗi giây. Những rung động này cho phép các bộ phận khác nhau của não chia sẻ thông tin và giao tiếp với nhau, ngay cả khi chúng nằm ở hai bên đối diện của bộ não. Và trong khi quét MRI đo lưu lượng máu có thể được thực hiện chỉ vài lần trong một giây, thì việc quét EEG đo hoạt động điện tính thì xem như là ngay lập tức.
Tuy nhiên, lợi thế lớn nhất của việc quét EEG là sự tiện lợi và chi phí của nó. Ngay cả học sinh trung học cũng đã thực hiện các thí nghiệm trong phòng khách của họ với các cảm biến EEG đặt trên đầu.
Tuy nhiên, nhược điểm chính của EEG, vốn đã kềm giữ lại sự phát triển của nó trong nhiều thập kỷ, là độ phân giải về không gian rất nghèo nàn của nó. EEG nhận tín hiệu điện đã được khuếch tán sau khi đi qua hộp sọ, khiến cho việc phát hiện một hoạt động bất thường nào đó trở nên khó khăn khi nó khởi sự đâu đó ở sâu trong não. Nhìn vào đầu ra lộn xộn của tín hiệu EEG, gần như không thể nói chắc chắn phần nào của bộ não tạo ra nó. Hơn nữa, các chuyển động nhẹ, như di chuyển ngón tay, có thể bóp méo tín hiệu ấy, đôi khi làm cho nó trở nên vô dụng.
KĨ THUẬT QUÉT PET
Tuy nhiên, một công cụ hữu ích khác từ thế giới vật lý là quét tạo mô hình phát xạ positron (PET – positron emission topography scan), kĩ thuật này tính toán dòng chảy của năng lượng trong não bằng cách định vị sự hiện diện của đường glucose, phân tử đường làm nhiên liệu cho tế bào. Giống như buồng đốt đám mây (cloud champer) mà tôi đã tạo ra khi còn học sinh trung học, quét PET sử dụng các hạt hạ nguyên tử phát ra từ sodium-22 hay còn gọi là natri-22 trong glucose. Để bắt đầu chụp PET, một dung dịch đặc biệt có chứa lượng rất nhỏ đường phóng xạ được tiêm vào bệnh nhân. Các nguyên tử natri bên trong các phân tử đường theo đó được thay thế bằng nguyên tử natri-22 phóng xạ. Mỗi lần một nguyên tử natri phân rã, nó phát ra một điện tử điện tích dương, hay gọi là positron, điều này dễ dàng được phát hiện bởi các cảm biến. Bằng cách đi theo con đường của các nguyên tử natri phóng xạ trong đường, người ta có thể tìm ra dòng năng lượng bên trong não khi nó đang hoạt động.
PET scan có nhiều ưu điểm tương tự như quét MRI nhưng không có độ phân giải không gian tinh tế như của ảnh chụp MRI. Tuy nhiên, thay vì đo lưu lượng máu, điều chỉ là một chỉ số gián tiếp về mức tiêu thụ năng lượng trong cơ thể, thì việc quét PET đo lường việc tiêu thụ năng lượng, do đó nó liên quan chặt chẽ hơn đến hoạt động thần kinh.
Tuy nhiên, có một nhược điểm khác đối với việc quét PET. Không giống như chụp MRI và EEG, các lần quét PET có hơi phóng xạ, vì vậy bệnh nhân không thể liên tục dùng chúng. Nói chung, một người không được phép chụp PET nhiều hơn một lần mỗi năm vì rủi ro do bức xạ.
TƯƠNG LAI CỦA TÂM TRÍ - MICHIO KAKU
BẢN DỊCH CỦA ĐỖ BÁ HUY
