a. Cơ chế hình thành trí nhớ ngắn hạn
Trí nhớ được coi là một loại hoạt động vừa thuộc sinh lí học, vừa thuộc tâm lí học.
Đứng trên góc độ sinh lí học, người ta đã cố gắng giải thích cơ chế hình thành trí nhớ
kì trong một thời gian ngắn sau đó. Các luồng xung động này có thể đi qua một mạch vòng nhiều tầng nơron. Nhờ đó mà các thông tin được lưu giữ ở trong não.
Sau đó, các mạch này trở nên mệt mỏi hoặc do xuất hiện các tín hiệu mới xen vào các luồng tín hiệu cũ nên trí nhớ ngắn hạn sẽ bị mất đi.
Chính vì vậy mà bất cứ một cảm giác nào khác thu hút sự chú ý hay bất cứ một sự xáo trộn nào đó đối với hoạt động của não đều làm cho trí nhớ ngắn hạn lập tức bị mất đi.
Các luồng xung động trong các mạch noron dễ bị ức chế bởi các yếu tố khác nhau làm cho trí nhớ ngắn hạn bị mất đi.
Ví dụ, trí nhớ ngắn hạn sẽ bị mất đi khi bị: sốc điện, chấn động cơ học, bị nhiễm lạnh, bị tác dụng của các thuốc gây mê, thiếu ôxi, thiếu máu hoặc não bị tổn thương...
* Thuyết về điện thế
Thuyết này giải thích cơ sở sinh lí của trí nhớ ngắn hạn bằng sự biến đổi điện thế màng của các nơron. Sau khi nơron đã hưng phấn một thời gian nhất định thì thường xuất hiện tình trạng giảm điện thế màng của nơron. Tình trạng này có thể kéo dài nhiều giây tới nhiều phút, làm cho hưng tính của noron thay đổi và quá trình hưng phấn sẽ bị mất đi. Kết quả nghiên cứu điện thế của các nơron ở vỏ não cho thấy quá trình của trí nhớ ngắn hạn có thể bắt nguồn từ những thay đổi điện thế màng của trục ngắn.
b. Cơ chế hình thành trí nhớ dài hạn
Khác với trí nhớ ngắn hạn, trí nhớ dài hạn không bị mất dưới tác dụng của các yếu tố như thiếu ôxi, bị nhiễm lạnh, sốc điện, thuốc gây mê, thiếu máu... Điều đó chứng tỏ rằng trí nhớ dài hạn phải bắt nguồn từ những thay đổi của các nơron mà chủ yếu là của xinap. Có ba giả thuyết phổ biến là: thuyết về các thay đổi cấu tạo của xinap, thuyết về sự thay đổi tính chất lí, hoá học của xinap và thuyết về cơ chế phân tử của trí nhớ.
* Thuyết về sự thay đổi cấu trúc của xinap
Thuyết này giải thích cơ sở sinh lí của hình thành trí nhớ dài hạn bằng sự thay đổi cấu trúc của xinap trong quá trình ghi nhớ. Người ta đã phát hiện ra rằng, số lượng các nhánh thần kinh tận cùng của các nơron ở vỏ não tăng lên theo tuổi. Những vùng vỏ não ít hoạt động thì sẽ làm cho vỏ não bị mỏng đi, còn ở những vùng vỏ não hoạt động tích cực sẽ làm cho vỏ não dày lên.
Ví dụ, ở những con vật bị mù thì vùng vỏ não thị giác sơ cấp bị mỏng đi.
Ở các xinap hoạt động mạnh và kéo dài, các phần trước xinap cũng xuất hiện những thay đổi về cấu trúc. Những phát hiện đó chứng tỏ rằng, việc ghi nhớ là kết quả của những thay đổi về mặt cấu trúc của các xinap.
Đó có thể là:
- Sự thay đổi về số lượng các nhánh thần kinh tận cùng.
- Sự thay đổi kích thước của màng trước xinap.
Những thay đổi đó có tác dụng làm tăng mức độ hoạt động của các mạch nơron đặc hiệu một cách lâu dài.
==> Các xung động đi qua các mạch này càng ngày càng dễ dàng hơn nếu kích thích được tác động lặp đi lặp lại nhiều lần.
* Thuyết về sự thay đổi tính chất lí, hoá học của xinap
Thuyết này giải thích cơ sở sinh lí của việc hình thành trí nhớ dài hạn bằng sự thay đổi tính chất lí, hoá học của xinap. Khi nghiên cứu trên ốc sên Aplysia, người ta nhận thấy rằng quá trình hình thành trí nhớ là quá trình thay đổi tính chất lí, hoá ở màng trước và màng sau xinap, tạo điều kiện cho việc dẫn truyền xung động thần kinh trong một thời gian tương đối dài (hình 12.1).
(Ốc sên biển, tên khoa học là Aplysia)
Ở xinap này có hai cúc tận cùng:
(a) Cúc tận cùng thứ nhất – phần tận cùng trí nhớ.
(b) Cúc tận cùng thứ hai – phần tận cùng cảm ứng.
(c) Neuron thứ hai.
Cúc tận cùng thứ nhất (a), tiếp giáp với nơron thứ hai (c), còn cúc tận cùng thứ hai (b), lại tiếp giáp với cúc tận cùng thứ nhất (a). Nếu chỉ kích thích lặp đi lặp lại phần tận cùng trí nhớ nhưng không kích thích phần tận cùng cảm ứng thì lúc đầu xung động được truyền đi rất nhanh nhưng sau đó yếu dần và cuối cùng là mất hẳn.
Còn nếu phối hợp sự tác động của kích thích lên cả hai loại cúc tận cùng thì sự dẫn truyền xung động có thể được lưu lại hàng giờ, hàng ngày, hàng tuần và thậm chí ngay cả khi phần tận cùng cảm ứng không còn nhận được kích thích nữa.
Về mặt hoá học thì chỉ khi kích thích lặp đi lặp lại phần tận cùng trí nhớ thì các kênh canxi của màng tận cùng sẽ dần dần đóng lại làm cho các ion canxi khuếch tán vào trong phần tận cùng này ít hơn nhiều so với bình thường. Vì canxi là yếu tố kích thích việc giải phóng các chất môi giới hoá học ở xinap nên khi lượng canxi trong cúc tận cùng ít đi thì xung động không được dẫn truyền tiếp nên trí nhớ bị mất đi.
Còn khi phối hợp kích thích cả hai cúc tận cùng thì lượng AMP thừa xuất hiện trong phần tận cùng trí nhớ và nó có tác dụng mở các kênh canxi ra ngày càng nhiều, thúc đẩy quá trình sản xuất chất môi giới hoá học ở xinap và làm tăng cường sự dẫn truyền xung động qua xinap.
Ngoài ra, người ta còn cho rằng trong trường hợp này có sự làm giảm mức độ phân huỷ của các chất môi giới hoá học và làm kéo dài thời gian khử cực màng, tạo điều kiện cho các xung động thần kinh có thể truyền qua xinap trong một thời gian dài.
Dengado đã nghiên cứu cơ chế sinh lí của não và nhận thấy rằng khi có luyện tập thì lượng kali và axetylcholin ở các xinap tăng lên nhiều.
* Thuyết về cơ chế phân tử của trí nhớ: Thí nghiệm trên đỉa phiến & Thí nghiệm trên chuột.
Thí nghiệm trên đỉa phiến:
Có thể nói, khuynh hướng đi tìm cơ sở phân tử của trí nhớ được xuất phát từ thí nghiệm nổi tiếng của M. Connell và Thompson (1962) trên một loài giun dẹp là đỉa
mình lại. Còn khi cho dòng điện chạy qua bể nuôi đỉa phiến thì chúng bị điện giật và co rúm mình lại. Các tác giả đã thành lập phản xạ có điều kiện với ánh đèn ở địa phiến. Mỗi lần bật đèn thì đồng thời cho điện giật làm cho địa phiến co rúm mình lại.
Sau khoảng 150 lần như vậy thì chỉ cần bật đèn là địa phiến co rúm mình lại.
Như vậy là các con đỉa phiến đã hình thành được phản xạ có điều kiện co rúm mình với tác nhân kích thích có điều kiện ánh đèn.
Sau đó, M. Connell và Thompson cắt vụn những con địa phiến đã hình thành được phản xạ có điều kiện với ánh đèn rồi đem thịt của chúng cho những con đỉa phiến khác ăn. Sau đó, các ông thành lập phản xạ có điều kiện ở những con đĩa phiến chưa có phản xạ có điều kiện nhưng đã được ăn thịt những con đã “thuộc bài”. Kết quả là việc thành lập phản xạ ở những con đỉa phiến này nhanh một cách bất ngờ: chỉ cần 40 lần vừa bật đèn vừa cho điện giật thì khi khi bật đèn, những con đỉa phiến này đã co rúm mình lại. Thí nghiệm trên chứng tỏ rằng trí nhớ không phải chỉ được lưu giữ trong não mà là được lưu giữ ngay trong phần thịt của địa phiến.
Nói một cách khác, trong quá trình “học” để “nhớ bài", trong các tế bào của con đỉa phiến đã hình thành những loại vật chất mới và những con đỉa phiến ăn thịt nó có thể hấp thu và lưu giữ được loại vật chất đó cho nên chúng trở nên “thông minh” hơn nhiều so với những con đỉa phiến khác. Người ta cho rằng loại vật chất này chính là các axit nucleic.
Trong các loại vật chất của tế bào, các axit nucleic có thể tồn tại trong suốt đời sống của tế bào chính là mật mã của quá trình sinh sản. Quá trình sinh sản cũng có thể được coi là một dạng trí nhớ từ thế hệ này sang thế hệ khác. Chính vì vậy, các axit nucleic của nơron có thể thay đổi trong quá trình ghi nhớ và lưu trữ thông tin.
Để tổng hợp được protein cho tế bào thì phải dựa vào khuôn mẫu là các axit
ribonucleic (ARN). Quá trình tổng hợp axit ribonucleic được diễn ra chủ yếu ở trong nhân tế bào dựa vào khuôn mẫu của các gen trong phân tử ADN. Dưới tác dụng của các tác nhân kích thích nào đó, quá trình tổng hợp axit ribonucleic có thể bị biến đổi dẫn đến việc hình thành một loại axit ribonucleic mới. Dựa vào khuôn mẫu của loại ARN mới, tế bào thần kinh đã tổng hợp nên một loại protein mới ở xinap. Loại protein mới này cho phép các xung động thần kinh vốn không quen trước đây có thể đi qua các xinap.
Điều đó chứng tỏ rằng “trí nhớ" của chúng không khu trú ở “não” mà khu trú ngay trong thịt của chúng.
Nhưng nếu sau khi cắt đôi con đỉa phiến đã được thành lập phản xạ có điều kiện rồi ngâm chúng trong chậu nước có chứa chứa enzym ribonucleaza thì sau khi các con đỉa phiến này đã tái sinh đầy đủ, việc thành lập phản xạ có điều kiện cho chúng cũng rất chậm. Để thành lập phản xạ có điều kiện cho chúng lại phải mất 150 lần “học” như những con đỉa bình thường khác mới “thuộc bài”. Sở dĩ như vậy là do enzym ribonucleaza trong chậu nuôi có tác dụng phân giải mã phiên ARN mới được tổng hợp, làm cho vật chất mang “trí nhớ” bị phân giải nên các con đỉa phiến mới này đã quên bài học.
Nhưng nếu chiết xuất lấy ARN của những con đỉa phiến đã “thuộc bài” đem tiêm vào những con đỉa phiến chưa “học” rồi dạy cho chúng thì chúng sẽ “thuộc bài” ngay.
Điều đó chứng tỏ trí nhớ được hình thành do sự tạo ra một loại ARN mới và được lưu giữ trong các phân tử ARN đó.
Thí nghiệm trên chuột của Benjamin Y. Haiden (1964): tập cho chuột thuộc đường đi ngắn nhất từ nơi nghỉ đến nơi ăn trong một mê lộ.
Tiến hành thí nghiệm ở động vật bậc cao, người ta cũng thu được kết quả tương tự như vậy. Trong những năm 1959 – 1964, Haiden đã dạy cho chuột nhớ đường đi ngắn
nhất trong mê lộ từ nơi ở đến nơi có thức ăn. Nhưng nếu tiêm Guaninoase (enzym 8–
aza guanin) cho chuột trước khi dạy thì chuột không thể thuộc đường.
(Sở dĩ như vậy do Guaninoase là enzyme có tác dụng cố định ARNm, ngăn trở sự hình thành ARNm mới làm cho trong quá trình tổng hợp ARN thì cấu trúc của ARN không thể thay đổi được nên chuột không thể thuộc đường)
- Còn nếu tiêm enzym 8–aza guanin cho chuột sau khi chuột đã thuộc đường thì chuột sẽ nhớ đường rất lâu.
(Sở dĩ như vậy là do Guaninoase có tác dụng cố định ARN mới được biến đổi nên cấu trúc của loại ARN mới trở nên rất bền vững và phản xạ có điều kiện trở nên hết sức bền vững.)
Tóm lại, những giả thuyết được coi là đúng nhất hiện nay đã giải thích quá trình hình thành trí nhớ dài hạn là những thay đổi thực sự về giải phẫu, vật lí hay hoá học diễn ra trong các nơron hoặc trong các xinap thần kinh.
Những thay đổi này tạo điều kiện dễ dàng cho sự dẫn truyền các xung động thần kinh qua xinap. Nếu tất cả các xinap tham gia vào quá trình hình thành trí nhớ nằm trong cùng một mạch nơron thì sau đó, mạch này lại có thể hưng phấn bởi bất cứ một tín hiệu nào để hình thành trí nhớ.
Muốn chuyển từ trí nhớ ngắn hạn thành trí nhớ dài hạn và củng cố trí nhớ dài hạn thì cần phải có một thời gian nhất định, ít nhất là năm mười phút hoặc lâu hơn. Nếu các tác nhân kích thích được nhắc đi nhắc lại nhiều lần thì sẽ làm tăng tốc độ và khả năng chuyển từ trí nhớ ngắn hạn thành trí nhớ dài hạn và cũng làm tăng tốc độ và khả năng củng cố trí nhớ, biến những kí ức mờ nhạt thành những kí ức sâu đậm.