Khả biến thần kinh
Các trường hợp điển hình, những hiện tượng

Bộ não của người trưởng thành không phải là một tổ hợp các mạch nơron "cứng cáp". Có rất nhiều trường hợp minh chứng cho khả năng tái cơ cấu tổ chức các mạch tế bào thần kinh vỏ não và cấu trúc dưới vỏ, điều này xảy ra khi ta tiến hành việc tập luyện cho não bộ, hoặc là khi gặp phải những tổn thương nơron ngoài ý muốn. Có bằng chứng cho thấy rằng quá trình hình thành nơron thần kinh mới (sinh ra tế bào não) vẫn xảy ra ở não trưởng thành của bộ động vật linh trưởng, và quá trình như thế có thể kéo dài cho đến hết tuổi già. Bằng chứng cho sự hình thành tế bào thần kinh chủ yếu chỉ giới hạn tập trung ở hồi hải mã và vùng khứu giác, nhưng nghiên cứu hiện tại đã tiết lộ rằng các phần khác của não, bao gồm cả tiểu não, cũng có thể diễn ra quá trình trên. Tuy nhiên, mức độ khả biến thần kinh được tạo ra bởi sự tích hợp của các mạch nơron mới đã được thiết lập vẫn chưa được biết đến, và việc khả biến lại như vậy có thể dẫn đến sự dư thừa về mặt chức năng.
Đã có nhiều công trình nghiên cứu đưa ra những bằng chứng với mức độ tin cậy cao, tính khả biến quyết định bởi thời gian và tính chất của các hoạt động điện thế thần kinh, làm thay đổi cơ cấu mạng lưới synap ở nhiều cấu trúc mang tính liên hợp cao bao gồm vỏ não. Cơ chế chính xác của quá trình này diễn ra dưới mức độ phân tử và siêu vi thể vẫn chưa được biết, giới khoa học thần kinh hiện vẫn đang nghiên cứu và đặt vấn đề này lên hàng đầu. Hoạt hóa loạt xung động thần kinh với tần số nhất định làm thức tỉnh các nơron, và nơron nào có trải qua điện thế hoạt động cố nhiên sẽ diễn ra các sự kiện nhằm tái tổ chức lại synap, điều này đóng vai trò là nền tảng cho các học thuyết chức năng não bao gồm học thuyết đại cương não bộ và học thuyết nơron Darwin (chọn lọc thần kinh). Khái niệm khả biến thần kinh đồng thời là trọng tâm của các học thuyết trí nhớ và học tập gắn liền với sự vận động tế bào thần kinh biến đổi hóa cấu trúc và chức năng, điển hình nhất là phản xạ có điều kiện khi nghiên cứu trên mô hình động vật không xương sống loài sên biển Aplysia.
Não bộ của bạn - cũng như bất kể mọi loài không riêng gì loài người - là sản phẩm luôn trong tiến trình phát triển. Nó chính là 'nhựa plastic'. Từ ngày chúng ta sinh ra cho đến khi chết đi, nó liên tục tự sửa đổi và tổ chức lại, luôn hoàn thiện ở mọi chức năng vốn có và đình trệ sự suy giảm có hại, và khả năng này phụ thuộc vào việc chúng ta sử dụng nó như thế nào. – Michael Merzenich
Một số cuốn sách mang nội dung thể hiện sự khác biệt giữa bộ não đàn ông và đàn bà (Đàn ông sao Hỏa, đàn bà sao Kim là một ví dụ) thường bị giới khoa học phản đối và lên án dữ dội, và sự thông minh không phải do giới tính quyết định. Sự thật là một phụ nữ giỏi làm nhiều việc cùng lúc (multitasking) không phải là vì khả năng bẩm sinh cô ấy có, mà là công việc và xã hội là các tác nhân thúc đẩy và kích thích. Hai bán cầu não của cô tìm cách thích nghi bằng cách phóng nhiều hơn hẳn các luồng xung điện qua lại với nhau khiến cô ngày càng giỏi trong nhiều việc. Các nhà khoa học họ đã so sánh não của cô với não một người không sống trong môi trường tương tự (bất kể là đàn ông hay đàn bà), cho thấy não của họ không có các luồng xung điện bắn qua hai bán cầu ở cường độ khủng khiếp như vậy. Sự thay đổi cơ học của não rõ ràng nhất khi cá nhân chủ động thách thức bằng những trải nghiệm và hành vi hoàn toàn mới.
Con của mục sư Witer sinh vào tháng 7 năm 1800, Witer con sinh ra có vẻ ngốc nghếch hơn những đứa trẻ bình thường, xóm giềng đều cho đứa bé mắc chứng đần độn. Mẹ của Witer con cũng nói: "Việc nuôi dạy đứa con như vậy sẽ chẳng có ích lợi gì, chỉ thêm tốn tiền của sức lực". Mục sư Witer quyết định vẫn tiến hành thử nghiệm giáo dục thời kỳ đầu như kế hoạch. Không ai có thể ngờ được rằng, kết quả thể nghiệm lại gây kinh ngạc đến như vậy. Witer 8 – 9 tuổi đã có thể sử dụng sáu ngôn ngữ: Đức, Pháp, Italia, Anh, Latin và Hy Lạp, thông hiểu động vật học, thực vật học, vật lý và hoá học, đặc biệt cậu bé rất giỏi toán học. Năm Witer lên 9 tuổi cậu thi đỗ vào Đại học Leipzig; chưa đầy 14 tuổi, do hoàn thành luận văn toán học nên được trao học vị tiến sĩ triết học, khi 16 tuổi chàng trai trẻ lại giành được học vị tiến sĩ Pháp học của Đại học Berlin; ở 23 tuổi, Witer trở thành nhà Pháp học ưu tú và nghiên cứu về Dante. Witer suốt cuộc đời dạy học, tạ thế ở tuổi 83, trải qua một cuộc đời hạnh phúc, vui sướng và nổi tiếng. Trong cuốn sách Em phải đến Harvard học kinh tế, bà mẹ Lưu Vệ Hoa đã rèn luyện các thói quen tốt từ nhỏ cho cô bé Đình Đình, và trải qua nhiều năm, cô bé Đình Đình ấy đã gặt hái nhiều thành công trong con đường sự nghiệp của mình.
Vào ngày 13 tháng 9 năm 1848, Phineas Gage 25 tuổi là quản đốc chuyên ngành xây dựng đường sắt, trong lúc dùng thanh sắt để nhồi thuốc nổ vào đá,:13,22–9:151–2:A ông đã vô tình gây ra một vụ nổ tạo ra xung lực làm thanh sắt với chiều dài 3 feet 7 inch (1.1m) đường kính 1.25 inch (32mm) nặng 13.25 pound (6.0 kg), văng theo chiều hướng từ dưới lên trên, làm thủng má trái xuyên qua não và lên tận đỉnh đầu; phá hủy phần lớn thùy trán bán cầu não trái.:13–4:5:25-9 Hệ quả Gage đã đui mù con mắt bên trái, thay đổi nhân cách vĩnh viễn, và để lại di chứng lỗ thủng trên vòm sọ. Sự kiện chấn động này đã tạo ra một cuộc cách mạng, chính thức xác nhận vai trò của bộ não trong việc thiết lập các trạng thái tâm lý và hình thành nên nhân cách của con người. Một trường hợp được đánh giá là vượt ngoài mọi khả năng tính toán, kích thích sự kinh ngạc, phá vỡ các giá trị tiên lượng, và thậm chí lật đổ tất cả học thuyết sinh lý học. Gage làm rung chuyển cả hệ thống trụ cột khoa học thế kỷ 19 đồng thời gây ra một cuộc tranh cãi không hồi kết về mối liên hệ giữa tâm trí và não bộ.:chương 7–9 Các y văn đương thời luôn xoay quanh chủ đề này, Gage được xem là vị bệnh nhân nổi tiếng nhất trong giới khoa học thần kinh. Và hình ảnh bộ xương với thanh sắt cắm xuyên là một trong số hình ảnh tượng trưng cho ngành tâm lý học. "Gage đã được giới khoa học nhắc đến trong các sách tâm lý học đơn giản chỉ là sản phẩm của tạo hóa... ý thức hệ một trường hợp mang tính lịch sử tuyệt diệu và như giải rõ khả năng tái cấu trúc thần kinh tưởng chừng như đơn thuần nằm trong tưởng tượng." Trích dẫn lời của bác sĩ Rhodri Hayward. Tạm khép lại vấn đề tính cách và hành vi biến đổi như thế nào, bởi vì điều này nghiêng về phạm trù tâm lý học. Kể từ khi xảy ra tai nạn thì Gage đã sống thêm được 12 năm nữa, trình độ trí tuệ không suy giảm, thích nghi tốt với xã hội hơn các bác sĩ mong đợi, thậm chí phát triển thêm nhiều khả năng khác nữa mà trước chưa hề có. Và cho đến hiện tại các nhà khoa học họ vẫn thấy thích thú, hiếu kỳ với trường hợp lịch sử này.
Trên thế giới đã có trường hợp hy hữu đến mức gây chấn động cả giới khoa học, đó là cô bé Michelle Mack không may mắc phải dị tật bẩm sinh không có não trái ngay từ khi sinh ra. Tổn thương đã lấy đi bán cầu não trái – bán cầu có nhiệm vụ trong việc phân tích và suy luận, chức năng ngôn ngữ, chịu trách nhiệm xử lý những thông tin mà con người nghe được và đưa ra những câu trả lời phù hợp. Ngoài ra, bán cầu não trái giúp con người giải quyết các vấn đề liên quan tới logic và tính toán chính xác. Song với não phải còn lại của mình, nó đã tái cơ cấu toàn bộ hệ thống thần kinh trung ương, kiêm luôn chức năng của não trái. Điều này đã làm cho tư tưởng của giới y học bị bổ nhào. Sinh ra với một nửa bộ não theo đúng nghĩa đen, Mack vẫn có thể nói chuyện và phát âm bình thường, đã tốt nghiệp trường trung học phổ thông và hơn nữa còn có một số tật kì lạ.
Cô bé được phát hiện ra bất thường rất muộn (khoảng 27 tuổi) bác sĩ đã khám phá ra rằng não phải về cơ bản đã dùng thuộc tính 'khả biến thần kinh' và tái hiện lại các chức năng vốn đã bị mất trong thời điểm bị cơn đột quỵ trước lúc sinh. Nhưng trái ngược lại ở thời thơ ấu và vị thành niên, cô bé cảm thấy bối rối, cùng với đó là sự thất vọng của bản thân khi không thực hiện được mục tiêu đề ra. Cô bé quả thật đã có một khoảng thời gian khó khăn, cố gắng nỗ lực cho sự bù đắp thiếu hụt về mặt trí tuệ đó. Khi sinh ra cô bé đã có những biểu hiện bất thường, và cha mẹ cô đã phát hiện điều đó. Họ đã đưa bé đi khám, kết quả cho thấy không phải là bại não, không phải là hội chứng Down, họ cho rằng không cần thiết phải đi thêm bệnh viện nào nữa khi không thể tìm ra được nguyên nhân ẩn tàng đằng sau đó. Bác sĩ Jordan Grafman là giám đốc mảng khoa học thần kinh nhận thức tại Viện Sức Khỏe Quốc Gia NIH, cuối cùng đã chẩn đoán ra nguyên nhân kì lạ đó. Kết quả ảnh quét MRI cho thấy não bộ bên trái gần như hoàn toàn không còn nữa, và đối chiếu với một số vấn đề mà Mack gặp phải. Không chỉ gia đình bệnh nhân mà chính bác sĩ Grafman cũng phải sốc vì sự tàn phá với quy mô khủng khiếp hiển thị trên nền bức ảnh đen trắng này. Bộ não đã biến động với mức độ chưa từng thấy. Bác sĩ Grafman nói: "Chúng tôi thực sự kinh ngạc khi chứng kiến cảnh tổn thương của bộ não đã lan rộng với mức độ không thể cứu chữa, cơ bản mà nói thì cô bé đã đánh mất hoàn toàn não trái". Ông nói tiếp: "Vẫn còn một số cấu trúc rất sâu trong não, nhưng về bề mặt của não, 95% lớp vỏ não đã bị hủy diệt và một số nhân nền vùng sâu nắm giữ khả năng kiểm soát vận động cũng đã biến mất. Và tình trạng như vậy các chức năng vận động, hành vi, và nhận thức sẽ bị sụp đổ theo". Trải qua 21 năm kể từ khi chẩn đoán, cô bé đã cải thiện các chức năng nhận thức tốt hơn. Tuy nhiên sự phục hồi lại có lẽ sẽ không hoàn hảo và tuyệt đối. Mack vẫn phải vật lộn với các loại hình tư duy trừu tượng và rất khó định hướng trong một môi trường khác lạ, ngoài ra cô bé cũng đương đầu với việc kiểm soát cảm xúc chính mình, bởi những cơn thịnh nộ vô căn cứ. Cô bé hiện đã 48 tuổi, và có lẽ đã lập gia đình lên chức mẹ, làm công việc nhập liệu tại nhà cho nhà thờ của cô ấy. Cuộc sống hoàn toàn tự lập, tự trả tiền thuê và làm các công việc nhà một cách năng động, giao tiếp và hòa nhập với xã hội như bao nhiêu người khác.
Cũng có trường hợp khác nữa đó là cô gái người Đức sinh ra không có bán cầu não phải, dù chỉ còn não trái cụ thể hơn là vùng chẩm – trung khu xử lý các tín hiệu thông tin thị giác – biến đổi để chiếm đoạt đường tín hiệu từ phần não còn lại, thị trường của cô gái vẫn bình thường các chức năng thị giác vẫn ổn định. Nói cách khác cô gái với một con mắt có thể nhìn thấy toàn bộ thế giới bình thường như nó vốn có, điều này chưa từng có tiền lệ trong lịch sử y học hiện đại. Các nhà khoa học tin rằng bán cầu não phải của cô gái dừng phát triển ở giai đoạn sớm thời kỳ bào thai, vào lúc dây thần kinh thị giác đã bắt đầu hình thành nên cấu trúc giao thị, các tín hiệu hóa học xuất hiện để báo hiệu dây thần kinh thị giác bên trái rằng là não phải giờ không còn nữa, và do đó nó tự động phát sinh các nhánh dẫn truyền tín hiệu cho vùng não còn lại. Bác sĩ Lars Muckli thuộc khoa tâm lý học trung tâm kĩ thuật hình ảnh thần kinh nhận thức, là người tiên phong đặc biệt trong chủ đề nghiên cứu này, phát biểu rằng: "Khám phá này đã mở ra cơ chế khả biến tuyệt diệu của não khi nó tái cơ cấu tổ chức bản đồ thị giác." Và ông còn nói thêm: "Nếu chúng ta có thể hiểu rõ các thuật toán đầy phức tạp và rắc rối của não bộ trong việc khả biến lại các nơron hơn bao giờ hết, và đồng thời kết hợp với các thuật toán xử lý thông tin, tạo ra tổ hợp áp dụng vào máy móc và như thế có lẽ sẽ vận hành trí thông minh nhân tạo một cách tột bậc." Cô gái chỉ bị liệt nhẹ nửa trái, và động kinh (đã được chữa khỏi hoàn toàn), với sự phát triển bình thường về mặt thể xác kèm theo sự hỗ trợ về mặt y tế, cô đã có thể đến trường học bình thường tham gia hoạt động thể thao như trượt pa tanh, mang vẻ dí dỏm cá tính như một cô gái, có nét đẹp và duyên dáng, quyến rũ đồng thời sở hữu trí tuệ sắc sảo.
Trường hợp tiếp theo là người phụ nữ Trung Quốc 37 tuổi, người này được chẩn đoán bệnh vào lúc 24 tuổi khi gặp các triệu chứng chóng mặt và buồn nôn; điều đáng lưu ý là hình ảnh chụp CT vùng đầu cho thấy không có sự xuất hiện của tiểu não. Kể từ lúc không hề hay biết tình trạng trên thì người này chỉ rắc rối trong vấn đề giữ thăng bằng và nói lắp bắp, cố nhiên với các triệu chứng này không ai có thể nghĩ đến là tồn tại một tổn thương khiếm khuyết trầm trọng trong hệ thần kinh. Các nhà khoa học họ cũng sốc khi 'cấu trúc cây sống' vắng mặt mà không ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống người bệnh. Gerald Edelman, một nhà khoa học thần kinh đã đạt được giải thưởng Nobel, ông đã thừa nhận rằng việc thực hiện các chức năng sinh học bình thường trong một tình trạng như vậy của người phụ nữ kia là khả thi. Tức là như chúng ta đã biết đó là bộ não là một cấu trúc liên hợp rất mạnh với nhiều vùng giải phẫu khác, chính vì điều đó nên có sự đồng điệu về mặt chức năng của hệ thống thần kinh trung ương. Các vùng lành lặn còn lại sẽ bổ trợ cho các chức năng thiếu sót đó, tuy rằng việc điều chỉnh này không được hoàn hảo cũng như có sự sai khác đôi chút về con đường truyền tín hiệu giữa các mạch nơron. Và vì thế nên tính khả biến được hoạt hóa để bù trừ cho các thiệt hại tế bào thần kinh, cũng như là chức năng của tiểu não – cơ quan giải phẫu chiếm hơn 50% tổng số lượng nơron não bộ, 10% về thể tích và nắm giữ nhiều "chìa khóa" quan trọng cho sự phối hợp vận động bao gồm các cử động tinh vi và phức tạp, khả năng cân bằng duy trì dáng đứng, sự nhịp nhàng và lối phát âm lưu loát.
Barbara Arrowsmith Young sinh ra ở Toronto năm 1951, và lớn lên ở Peterborough, Ontario. "Bất đối xứng" là từ ngữ miêu tả tâm trí cô gái này khi còn đang trong độ tuổi đến trường. Barbara có được sự thông minh nhất định, kết quả kiểm tra trí nhớ thị giác và thính giác đạt 99%.:36 Thùy trán phát triển một cách vượt trội, nhưng "bất đối xứng" khi mà các khả năng đặc biệt của các trung khu não lại kém phát triển. Cô bé có sự khiếm khuyết trầm trọng trong lĩnh vực học tập. Vùng Broca của não là vùng ngôn ngữ vận động, nằm ở một phần vùng trước trán và một phần vùng tiền vận động của vỏ não, và ở bán cầu não trái trong 95% trường hợp. Cô bé đã tổn thương vùng này và gặp khó khăn trong vấn đề phát âm từ ngữ. Chức năng tạo lập không gian kém, khi chúng ta di chuyển một cách có chủ ý trong không gian, các nơron sẽ tạo ra con đường tưởng tượng trong não trước khi thực hiện sự chuyển động.:37 Khả năng điều hòa và phối hợp vận động kém, thị giác cũng có vấn đề, thị trường hẹp khi mà một trang giấy chỉ nhìn được có vài từ. Hơn thế nữa cô bé không hiểu được ngữ pháp, các khái niệm toán học, tính logic, nguyên nhân và kết quả. Không thể phân biệt được "anh của ba" và "ba của anh". Rắc rối nhân đôi cho việc nỗ lực tư duy trừu tượng, bé không biết được mấy giờ vì không thể hiểu mối quan hệ giữa các kim đồng hồ. Phát âm ngược từ "was" thành "saw", viết từ phải sang trái (mặc dù thuận tay phải), và làm nát bét "tác phẩm" của mình.:38 Bị mắc chứng khó đọc, thuộc công thức và phương trình toán học nhưng không thể hiểu khái niệm của nó,... sau đó bằng sự nỗ lực tự thân, rèn luyện các bài tập trí óc đến mức độ kiệt sức, lần đầu tiên trong đời cô có thể sống thực sự như một con người bình thường. Các nhà khoa học nhận định rằng tốt hơn hết là "bóp chết" ngay cái mầm mống tư tưởng ngụy biện mình ngốc và đần độn, chán ghét việc học và đến trường, điểm yếu là hiển nhiên nên không thể thay đổi, dẫn đến lãng phí tiềm năng ẩn tàng không được khai thác mà cậu ta (hay cô ta) đáng lẽ sẽ có. Tính khả biến ở bộ não chưa trưởng thành của những đứa trẻ từ độ tuổi vị thành niên trở xuống mạnh hơn so với người lớn, có lẽ là vì sở hữu số lượng synap tức khớp thần kinh nhiều hơn tới 50%.:49 Khi một người đạt đến tuổi vị thành niên, trong não bộ diễn ra quá trình loại bỏ nơron với quy mô lớn, các nơron không tạo synap sẽ bị tiêu hủy với thời gian rất nhanh, hiện tượng kinh điển này tương ứng với câu nói nổi tiếng trong giới thần kinh học: "dùng nó hoặc mất nó". Mark Rosenzweig đã nghiên cứu trên chuột, chứng minh một điều đó là các kích thích có lợi bao gồm có: vật lạ để khám phá, thang để trèo, và vòng bánh xe để chạy,... thì góp phần làm cho khả năng học của con vật tốt hơn so với nhóm đối chứng. Tiến hành khám nghiệm bộ não con vật cũng cho thấy là có sự tăng số lượng các nơron, bao gồm có đuôi gai và sợi nhánh, thể tích khối não lớn hơn và mật độ thần kinh dày đặc. Việc cho rằng bộ não được so sánh như là cơ bắp sẽ tăng trưởng khi rèn luyện nó không chỉ là hình thức ẩn dụ đơn thuần.:49–50
Vào năm 1980, tạp chí Science đã công bố bài báo về cậu sinh viên tại trường Đại học Sheffield tại nước Anh, người trẻ tuổi này tình cờ được phát hiện ra bởi biểu hiện kích thước đầu hơi lớn hơn so với bình thường. John Lorber nhà thần kinh học người Anh đã làm cho giới bác sĩ phải ngồi xuống và vắt óc suy nghĩ, mênh mang xa xăm "một tư tưởng thần thánh thiêng liêng". Cậu sinh viên này đã giành lấy bằng danh dự loại xuất sắc nhất cho lĩnh vực toán học, và chỉ số IQ của cậu là 126. Lorber khi được bác sĩ giới thiệu cho cậu này, ông đã tiến hành quét não như công việc của một nhà thần kinh học thường làm, sau đó chi tiết chính xác được tường thuật lại như sau: "Điều mà chúng tôi nhìn thấy đáng lẽ thay vì đó là mô não dày 4.5 cm giữa não thất và lớp vỏ bề mặt, thì lại là lớp rất mỏng cỡ vài mm. Hộp sọ của cậu ta tràn ngập dịch não tủy." Điều này như phá vỡ mọi nguyên tắc và tiêu chuẩn, với IQ vượt xa so với người bình thường (khoảng 100), và với khả năng thông minh cậu ta sở hữu được, song về phương diện giải phẫu học cậu ta hầu như không còn não. Theo lẽ thường, với tình trạng 95% hộp sọ bị vùi lấp bởi dịch não tủy, thì chỉ không ngoài khả năng sống thực vật do tăng áp lực nội sọ, đồng thời là một loạt các rối loạn bất thường phát sinh bao gồm cả những suy giảm nghiêm trọng các chức năng thần kinh, nhận thức, chứ chưa nói đến việc ảnh hưởng trí tuệ hay không. Trích dẫn lời của giáo sư Patrick Wall: "Các trường hợp não úng thủy không quá xa lạ gì trong y văn thế giới, đúng nếu như nó không đi quá xa như vậy". Tiêu đề của bài báo mang tên: "Is Your Brain Really Necessary?", và đã thách thức cả giới khoa học thần kinh làm thế nào để có thể giải thích cho hiện tượng này. Làm thế nào mà một cậu sinh viên với mức độ tàn phá khủng khiếp của lớp vỏ não như thế lại có thể sinh hoạt bình thường, tham gia các phong trào cũng như giao tiếp xã hội mà không vướng vấp bởi sự nghi ngờ nào, hơn thế nữa còn đạt được thành tích cao trong học tập. Não bộ đã bị bóp méo gần như hoàn toàn, thế nhưng tình trạng liệt một bên thậm chí đã không xảy ra. Từ những nghiên cứu và quan sát được một cách khách quan, Lorber đã đưa ra kết luận rằng: "Có một số cấu trúc nguyên thủy nằm rất sâu trong não nhằm đối phó cho những tổn thương có thể xảy ra (như não úng thủy), cùng với đó là chứa dung tích nơron dự trữ rất lớn phòng cho việc phục hồi".