Tới Harvard khám phá các khoa học gia vẽ sơ đồ não bộ, đăng tải tâm trí lên máy tính

Lần đầu tiên khi tôi biết tới chiếc máy này là cách đây 12 năm. Một chiếc máy cắt não. Nhưng không chỉ là một chiếc máy cắt não cũ kỹ thông thường mà bạn có thể tìm thấy ở Home Depot hay một cửa hàng địa phương chuyên bán đồ cho những kẻ giết người hàng loạt. Đây là chiếc máy cắt não tốt nhất thế giới. Và nó được đặt ở trường Đại học Harvard. Chiếc máy này nghe giống như có từ thời Trung cổ, nhưng nó lại là chìa khoá cho một trong những thách thức khoa học và máy tính lớn nhất thời đại.

Các nhà nghiên cứu tại đây muốn sử dụng nó để thiết lập một bản đồ 3D của bộ não con người. Họ muốn chụp từng lớp của bộ não, ghép tất cả các hình ảnh lại với nhau để tạo thành một mô hình máy tính, và rồi tìm kiếm tất cả neuron thần kinh, các khớp nối thần kinh và hàng tỷ con đường kết nối chúng với nhau.

Các nhà khoa học gọi bản đồ não bộ này là Connectome và phần lớn trong số họ đều tin rằng nó có thể giải mã tất cả bí mật về cách mà tâm trí con người hoạt động. Người khác lại nghĩ toàn bộ dự án này là một sự lãng phí quá lớn về tiền bạc và thời gian.Thật may cho các nhà khoa học, và cả bạn nữa, tôi đã tới Harvard để tìm câu trả lời cho vấn đề này.

Mỗi khi tôi tới Harvard, nghĩ về nguồn gốc của nhận thức con người và cỗ máy cuộc sống, tôi lại tới gặp người đàn ông này.

 Jeff Lichtman: Tôi là Jeff Lichtman, giáo sư thuộc khoa Sinh học phân tử và tế bào tại trường Đại học Harvard, và là thành viên của nhóm “The Center for Brain Science”. Jeff cũng là một trong những chuyên gia hàng đầu về Connectome và điều hành một phòng thí nghiệm tại đây. 

- Ý tưởng ở đây là có một bản đồ não bộ connectome, một sơ đồ mạng lưới, mà cho tới bây giờ vẫn còn gây tranh cãi. Khi nghĩ đến một bản đồ, một bản đồ vật lý về sự kết nối của não bộ, cũng giống như cách mà những người làm trong ngành di truyền học về bộ gen, nó giống như một bản đồ vật lý của tất cả các thông tin trình tự cho mọi gen trong cơ thể. Bộ gen ở những giai đoạn đầu, cũng có những tranh cãi về việc liệu đó có phải là một ý tưởng hay hay không. Nó cũng được coi là một tập dữ liệu khổng lồ. Khoảng 1,4 gigabyte. 

- Thật kinh ngạc! 1,4 gigabyte và mọi người nghĩ rằng “chúng ta sẽ làm gì với đống dữ liệu đó?”. Nhưng điều đáng nói, đó là công nghệ giờ đây có thể giải mã sơ đồ mạng lưới của từng kết nối giữa tế bào thần kinh này với tế bào thần kinh khác. 

- Về cơ bản, ý ông muốn nói về việc tìm kiếm tất cả các neuron thần kinh, tất cả khớp nối thần kinh, tất cả kết nối giữa chúng. Chúng ta nói tới ở đây là trật tự của hàng nghìn tỷ kết nối.
Đúng vậy. Điều đó gần như không thể tưởng tượng được. Để có được một sơ đồ mạng lưới của bộ não, bạn cần có đủ độ phân giải để nhìn được từng khớp nối thần kinh. Và nó còn thấp hơn cả độ phân giải của một chiếc kính hiển vi ánh sáng. 

- Nó đang gây tranh cãi. Vậy lý do gì mà chúng ta lại muốn làm điều này? Ông có thể thấy, Mỹ đang bỏ ra rất nhiều chi phí để xây dựng bản đồ Connectome, châu Âu cũng bỏ ra rất nhiều tiền, do vậy hiển nhiên có những người tin rằng điều này vô cùng quan trọng. Vậy kỳ vọng lớn nhất là gì?

- Có thể điều thú vị nhất là có một số rối loạn về não mà chúng ta vẫn không biết vấn đề thực sự nằm ở đâu, và có một số người tin rằng lý do của những căn bệnh này rất khó để chữa trị là bởi nó liên quan tới cấu trúc của não bộ. Và chúng ta thật sự không biết các bệnh lý đó là gì. Những căn bệnh đó không hiếm, hội chứng tự kỷ, tâm thần phân liệt, hội chứng Tourette. Tôi không nghĩ chúng ta cần phải đi quá xa cho tới khi chúng ta có được bằng chứng vật chất của vấn đề. Trí nhớ theo đúng nghĩa của nó, theo cách suy nghĩ của một nhà khoa học thần kinh khi nghĩ về nó, hay cách một người bình thường nghĩ về những gì mà họ nhớ, nó ở đâu? Nó là gì? Nó như thế nào? Nó được cấu thành như thế nào trong não bộ? Nó gần như được giải đáp một cách chắc chắn trong sơ đồ mạng lưới não bộ. Nhưng cho tới khi chúng ta có được một sơ đồ mạng lưới này, chúng ta sẽ không biết được nó là gì.

Sơ đồ não bộ nghe có vẻ là một thứ lập ra môt cách dễ dàng, nhưng trong nhiều thập kỷ, cùng với việc tôi đã theo dõi dự án Connectome trên toàn thế giới, thì điều đó thực sự khó khăn. 
Các nhà nghiên cứu đã xây dựng các mô hình não của những con sâu siêu nhỏ, và lớn hơn chút là não của ruồi. Mục tiêu hiện giờ là toàn bộ hình ảnh não bộ của một con chuột. Và rồi một ngày nào đó trong tương lai, là bộ não con người. 

- Hoá ra bộ não của chúng ta phức tạp đến nỗi nó đòi hỏi một số lượng máy tính gần như chưa từng có để phân tích.  Nhóm của ông gần đây vừa hoàn thành một vỏ não của con người.

- Nhưng chỉ là 1milimet khối. 1 milimet khối, nhưng nó rất khó phải không? Mất bao lâu vậy? ông đã mất thời gian bao lâu?

- Khoảng vài năm. 

- Vài năm cơ à.

- Và 2 nhóm, một nhóm ở Google và một nhóm ở phòng thí nghiệm của tôi làm việc toàn thời gian trong dự án này. Vấn đề ở đây là những liên kết không có vị trí nhất định. Chúng không chạy như đường ray xe lửa trên cùng một hướng đi, chúng chạy trong một không gian 3D, gần giống như những sợi mỳ Ý xếp lộn xộn trong bát vậy.

- Một cách để thiết lập bản đồ liên kết theo tất cả các hướng là cắt bát mỳ đó ra, từng lớp não rất mỏng, lưu lại hình ảnh của từng lớp, sắp xếp chúng, và tìm một sợi mỳ để theo dõi chúng theo số lượng, và lại lặp điều đó với một sợi mỳ khác và theo dõi theo số lượng. Cứ làm như vậy cho tới khi bạn có đủ một bát mỳ. Thông thường có khoảng 30 phần có kích thước nanomet, tức là bằng 1/1000 độ dày của một sợi tóc. Mỗi phần nhé.

Bước đầu tiên để xây dựng một Connectome là có một bộ não và chúng ta phải cắt nó ra. Nghe thì có vẻ hơi ghê rợn, nhưng đối với Harvard lại khá hiệu quả. Phòng thí nghiệm của giáo sư Jeff có thể thực hiện một nghiên cứu kéo dài một năm chỉ với 1 bộ não của chuột. Những phần não nhỏ được đưa vào máy cắt, lưỡi dao bằng kim cương sẽ cắt chúng thành từng lớp mô mỏng. Mỗi lớp mô lại được đưa qua một số dung dịch trước khi được đặt trên một miến băng dính và đẩy ra ngoài. 

Các lớp não sau đó được đưa vào chiếc máy to lớn này để chụp lại hình ảnh một cách chi tiết nhất. Phần mềm sẽ giúp nối các hình ảnh lại với nhau thành một hình ảnh 3D, các thuật toán sau đó sẽ giúp làm rõ điều gì đang diễn ra bên trong não bộ.   

Mùa hè này, phòng thí nghiệm của giáo sư Lichtman cùng với Google đã công bố một bước đột phá mới về bản đồ não bộ Connectome phía trước. Họ đã tạo ra một mô hình trực quan 1,4 petabyte từ 1 milimet khối vỏ não người. Bên trong mẫu phẩm nhỏ bé đó là hàng triệu neuron thần kinh và 130 triệu khớp nối thần kinh. Những phần này sẽ được quản lý bằng một thuật toán trí tuệ nhân tạo. 

- Mẫu não này là của ai vậy? có gì đặc biệt không?

- Nó là của một phụ nữ bị động kinh. 

- Cô ấy đã từng trải qua phẫu thuật hay gì đó chưa? 

- Cô ấy đã làm phẫu thuật, để loại bỏ tâm điểm động kinh. Các bác sĩ giải phẫu thần kinh đã rạch một đường ở thùy thái dương để tiếp cận vị trí bệnh, để từ đó họ có thể loại bỏ phần não bộ gây ra bệnh động kinh. Nếu chúng ta phóng to lên, tất cả những tế bào này giờ đây đều là các tế bào duy nhất, được xác định trong hệ thống dữ liệu. Có tới hàng trăm triệu tế bào ở đây. Nếu tôi lựa chọn một tế bào có hình tam giác như thế này, có vẻ giống với một neuron hình chóp, nhấn vào nó 2 lần. Nó đây rồi.

- Giống như trong phim hoạt hình vậy, nhưng nó là một tế bào thật.

- Một tế bào thực sự. Và nếu tôi làm như vậy với tế bào ở đây, nó sẽ thế này. Tôi sẽ thu nhỏ lại một chút để anh có thể nhìn ra. 

- Ông đang tạo ra một bát mỳ đúng ko

- Và tất cả tế bào đều được theo dõi. Đó là nơi một tế bào nhận được một khớp nối thần  kinh. Tôi sẽ phóng to điểm đó lên với hình ảnh vi điện tử. Đây là một sợi trục của một khớp nối thần kinh. Và tôi có thể làm điều đó với tất cả các tế bào khác. Hãy nhìn thử xem.

- Đây là một điều gì đó mà tôi có thể nhìn được bằng mắt thường và tôi đã  hỏi các đồng nghiệp của mình rằng họ đã nhìn thấy điều này bao giờ chưa. Không ai cả. Đây là một sợi trục. Và nó dường như đang truyền tín hiệu, bởi sợi nhánh của tế bào đang hiển thị màu đỏ, tức là nó đang lắng nghe. Và sợi trục tới vị trí này trên tế bào và tạo ra một thứ gì đó giống như một tuabin. Một sự liên kết kỳ lạ. Nếu bạn theo dõi sợi trục này, nó vẫn tiếp tục làm điều đó. Tại đây, vẫn là sợi trục đó, một vòng xoáy khác. Và đó là những dữ liệu lớn. Những thứ này được gọi là thần học, tức là những thứ kỳ lạ. Khi bạn có 1,4 petabyte dữ liệu, bạn có thể khám phá ra rằng chúng hiếm, nhưng chúng không xảy ra một lần. 

- Ông có suy đoán vì sao chúng lại xảy ra không?

- Có một người trong nhóm của tôi, Richard Schalek, gợi ý rằng đây có thể giống như một cuộn dây từ tính, ở đó các dòng điện di chuyển và tạo ra một điện tích từ tính. Tôi thì nghĩ đó là một ý tưởng điên rồ. Ông ấy cảm thấy như bị xúc phạm và hỏi tôi liệu tôi có ý tưởng hay hơn không.

Không phải ai ở Harvard cũng tin hoàn toàn vào sơ đồ Connectome. Do vậy, để khai thác theo một khía cạnh khác, tôi giới thiệu với các bạn một “bad boy” của khoa học não bộ, Florian Engert. Người đàn ông này luôn biết cách khiến người khác bất ngờ.

- Ashlee!

- Xin chào

- Thật vui vì được gặp anh

- Anh thế nào?

- Tôi ổn.

- Tốt. Thật là một ngày đẹp trời. Đó là cách anh đi lại quanh đây sao?

- Đó là cách tôi đi làm.

Tôi quyết định vào thẳng vấn đề và hỏi người đàn ông mặc áo ba lỗ tím này về những gì ông đã làm để tạo ra một bản đồ não bộ. Có rất nhiều tranh cãi về sơ đồ Connectome đối với một số người. Có người nghĩ nó sẽ hữu dụng theo nhiều cách khác nhau, và họ tranh luận về điều đó. Nhưng cũng có những người nghĩ rằng có thể điều này không hề phí phạm thời gian, nhưng nó sẽ chẳng đi tới đâu cả. Vậy anh theo phe nào? Sơ đồ Connectome có đáng để theo đuổi hay không.

Tiến sỹ FLORIAN ENGERT, Giáo sư chuyên ngành sinh học phân tử và tế bào, Đại học Harvard: Điều đó thật ra không đủ. Có thể đó là một tuyên bố quan trọng nhất. Chỉ có duy nhất sơ đồ Connectome, về cơ bản sẽ chẳng nói cho anh biết một điều gì cả. Tôi nghĩ nó cực kỳ hữu dụng. Khi anh có một mô hình, một lý thuyết về cách hoạt động của nó, một bộ não, và anh muốn sử dụng connectome để làm giả, hoặc thử nghiệm, hoặc giới hạn mô hình của anh.

Phòng thí nghiệm của Florian chuyên nghiên cứu về não của cá ngựa vằn. Ông ấy có một bộ sưu tập đồ sộ với khoảng 10.000 con. Những con cá này hoá ra lại rất lý tưởng cho việc nghiên cứu não bộ. Sau khi chúng được sinh ra, chúng có một bộ da trong suốt. Điều này có nghĩa các nhà khoa học có thể nhìn trực tiếp vào bộ não của chúng và theo dõi các neuron thần kinh hoạt động. 

Florian cùng nhóm của mình, những chuyên gia về cá, đã thay đổi bộ gen của loài vật này, để từ đó hoạt động thần kinh của chúng sẽ hiện rõ dưới kính hiển vi.

- Chúng tôi có khoảng vài nghìn loại cá biến đổi gen khác nhau, các cộng đồng cá khác nhau. Chúng tôi cần giám sát và điều khiển hoạt động thần kinh của từng vùng trong não bộ của chúng. Anh có thể thấy ở đây. 

- Vậy mỗi trường hợp có thể có một đặc tính khác nhau sao?

- Anh sẽ cần rất nhiều khu để sắp xếp. Từ đây tới đây, chúng có thể biểu thị màu huỳnh quang tại một phần cụ thể của não bộ, trong khi các con cá khác sẽ biểu thị ở những vùng khác của não bộ hoặc có một đặc điểm khác. 

- Ai sẽ là người theo dõi những hiện tượng xảy ra này? Anh đã đánh số cho chúng và phải có một ai đó.

- Ồ không, chúng tôi có hệ thống mã vạch. Đó là cả một cơ sở dữ liệu cần được cập nhật. Chúng tôi có 3 người và một quản lý nữ sẽ chăm sóc toàn bộ cơ sở này. Cô ấy sẽ theo dõi bảo trì và dọn dẹp. 

- Vậy khi anh theo dõi hoạt động não bộ, lúc đó chúng chỉ mới ra đời được vài ngày đúng không?

- Từ ngày thứ 5 đến ngày thứ 8. Ngày thứ 5 hoặc ngày thứ 6 đối với cá ngựa vằn, chúng sẽ biểu hiện một loạt các hành vi để có thể sống sót. Đó là những gì chúng làm, chúng tương tác với những sinh vật cùng loài với chúng, chúng săn mồi, chạy trốn khỏi đối thủ và định hướng.

Florian quá bận rộn để có thể giải thích về cách thức hoạt động của não bộ dưới kính hiển vi, do vậy tôi đành phải nhờ người khác. 

Anh GREGOR SCHUHKNECHT, Nghiên cứu sinh sau tiến sỹ, Đại học Harvard: Tôi có thể đặt 1 con cá dưới kính hiển vi và làm một thí nghiệm nhỏ.

Đầu tiên, Gregor nhúng con cá vào một dung dịch gần giống như thạch, sau đó gạt bớt phần dung dịch ra để con cá có thể cử động thân và đuôi. Thí nghiệm này để xem não bộ của nó phản ứng như thế nào với các hoạt động hàng ngày.

- Anh có thể thấy khi tôi chạm vào con cá, nó sẽ quất nhẹ cái đuôi như này.

- Để nhìn được neuron thần kinh, anh sẽ dùng một chiếc kính hiển vi khác, một chiếc máy hiện đại hơn?

- Đúng vậy.

- Tức là anh làm thí nghiệm và sau đó quan sát hình ảnh sâu hơn.

- Đúng là như vậy.

Các nhà khoa học thường sử dụng ánh sáng để lừa con cá rằng nó đang bơi trong một dòng nước hay gặp một vật cản. Nó giống như công nghệ thực tế ảo cho cá. 

- Do các chấm thay đổi theo hướng chúng bơi, nên con cá cũng sẽ thay đổi theo đúng không?

- Đúng vật, nó sẽ bơi sang trái, sang phải. Đây là hoạt động não bộ. Những chấm tím và cam này là các cá thể tế bào riêng lẻ. Khi chúng sáng lên, có nghĩa là những tế bào này hoạt động.

Một cách nào đó, nghiên cứu về cá của Florian lại trái ngược với cách tiếp cận của sơ đồ Connectome. Thay vì cố gắng gỡ rối những sợi mỳ như giáo sư Lichtman, phòng thí nghiệm của anh ấy lại tập trung vào các điểm cụ thể trong não bộ, những điểm phát sáng khi phản ứng với kích thích, và từ đó bắt đầu phát triển một giả thuyết về suy nghĩ của cá như thế nào. 

- Anh có thể cho tôi một ví dụ về những loài cá không? Chẳng hạn cá ngựa vằn có phản ứng gì và tôi có thể thấy điều đó trong não của chúng và tìm hiểu xem đó là sai hay đúng. 

- Chẳng hạn một trong những vấn đề mà chúng tôi đang nghiên cứu là về trí nhớ ngắn hạn. Con cá nhìn thấy một nhịp chuyển động, nó sẽ ghi nhớ trong vài giây. Và chúng tôi đã tìm ra một vùng trong não bộ, nơi mà thông tin này, hoạt động này đã được lưu giữ lại theo một mạch lặp đi lặp lại. Chúng tôi có thể thấy bằng hình ảnh, bằng việc lưu lại hoạt động đó, thông tin sẽ được giữ lại ở mạch não phía sau. Do vậy, chúng tôi đã tìm thấy một nhân tế bào cho trí nhớ ngắn hạn, nơi lưu trữ những thông tin thoáng qua. Tôi nghĩ phần quan trọng là anh cần biết nó hoạt động như thế nào và rồi anh có thể sử dụng nó để thí nghiệm. Rất nhiều bạn và đồng nghiệp của tôi không thích những gì mà tôi đang nói đâu. Do vậy nếu anh không biết nó hoạt động ra sao, thì có một sơ đồ connectome sẽ không giúp ích được gì cả. Nó sẽ khó hiểu hơn là giải đáp vấn đề cho anh.

- Vậy chúng ta có nên đầu tư để cố gắng thiết lập một sơ đồ Connectome của người hay không? Hoặc chỉ bởi vì chúng ta có thể làm điều đó?

- Ồ không, tất nhiên tôi nghĩ chúng ta nên làm vậy. Đó là kỳ vọng kiểm soát. Chúng ta không nên làm sơ đồ Connectome của người, cũng giống như việc chúng ta không nên tạo ra bộ gen vì mục đích chữa bệnh hay giúp đỡ con người vì nó sẽ không hiệu quả đâu. Nhưng thứ hữu ích là để giúp các cơ sở hạ tầng khoa học hiện có để giới hạn mô hình. Đó là một công cụ bổ sung để giúp ta có một cái nhìn sâu sắc hơn. 

Phần lớn những người giàu nhất thế giới hiện nay là những người làm trong ngành công nghệ và họ rất hứng thú với lĩnh vực này. Họ cho rằng chúng ta có thể làm được và thực hiện nó một cách nhanh chóng nếu chúng ta có 50 chiếc kính hiển vi hiện đại và thêm nhiều lớp cắt não. 

- Thật thú vị khi bộ não và cơ thể người được đưa ra để lựa chọn ưu tiên trong nghiên cứu.

- Không rõ mình sẽ làm gì với nó. Đó mới là vấn đề. Nếu anh biết một tỷ phú, và họ nói “tôi sẽ đưa cho anh một connectome”, vậy câu hỏi đặt ra là anh sẽ làm gì với nó khi anh có connectome. Tôi nghĩ một trong những ứng dụng phổ biến nhất là đăng tải.

- Ồ, đăng tải não bộ của mình sao?

- Bất kể Connectome đó là gì, nó sẽ là chất nền của tâm trí. Anh có thể tải nó vào một chiếc máy tính và giả lập tâm trí anh. Có rất nhiều người giàu theo đuổi điều này. Tôi nghĩ đăng tải bộ não của mình giống như sao lưu lại nó, tách nó rời khỏi tôi. Thực ra có một lỗ hổng triết học, một suy nghĩ sai lầm rằng sao chép cũng giống như tiếp tục cuộc sống của mình. Đó là lý do vì sao tôi thấy tất cả những điều này thật vô nghĩa. Ý tưởng Connectom là một công cụ để đăng tải tâm trí mình vào một máy tính và đạt được sự bất tử là điên rồ.

Sau khi dành vài ngày để nói chuyện về não bộ, tôi đã đi dạo quanh trường Harvard để cảm nhận cuộc sống tại đây ra sao. Tôi đã nghĩ tới Mark Zuckerberg đã thiết lập nên một trang web hẹn hò ở đây, và rồi trở thành một ông hoàng kỹ thuật số. Thật lạ khi chúng ta hoàn toàn phụ thuộc vào hệ thống máy tính khổng lồ của Google và các thuật toán để làm rất nhiều nghiên cứu tiên tiến. Và rồi tôi nghĩ tới giám đốc của tôi, David, chạy theo một nhà khoa học về não bộ. Tôi nghĩ về rất nhiều điều, tôi cho rằng mọi thứ sẽ tốt đẹp nếu chúng ta biết nó xảy ra như thế nào./.