Bản đồ nhận thức (cognitive map) là gì? Tolman và tế bào vị trí

Giữa đêm mất điện, nhiều người vẫn đi được từ giường ra cửa mà ít khi va vào đồ đạc. Ví dụ này thường được dùng để hình dung việc não giữ một “bố cục” của căn phòng. Tâm lý học gọi kiểu biểu diễn ấy là bản đồ nhận thức (cognitive map), gắn với bài báo năm 1948 của nhà tâm lý học Edward Tolman. Về sau, các nhà thần kinh học tìm thấy ở hồi hải mã những tế bào phát tín hiệu theo vị trí của con vật, và phát hiện này nhận giải Nobel năm 2014. Cùng Trần Toàn Psy tìm hiểu nhé!

Bản đồ nhận thức là gì?

Bản đồ nhận thức (cognitive map) là giả thuyết cho rằng não xây dựng một biểu diễn thống nhất về môi trường không gian để hỗ trợ trí nhớ và định hướng hành động trong tương lai.¹ Theo cách Tolman mô tả năm 1948, đó là một “bản đồ” còn tạm thời, cho biết tuyến đường và mối quan hệ giữa các thành phần của môi trường.² Chính bản đồ ấy quyết định con vật làm gì tiếp theo, chứ không phải một chuỗi động tác được thuộc lòng.²

Quan điểm này đối lập với một trường phái nghiên cứu hành vi động vật thời đó. Trường phái ấy cho rằng chuột đi trong mê cung chỉ đáp lại lần lượt các kích thích. Việc học, theo họ, là củng cố một số kết nối giữa kích thích và phản ứng và làm yếu các kết nối khác. Bài báo ví hệ thần kinh trong cách hiểu này như một tổng đài điện thoại, còn Tolman ví nó với một phòng điều khiển bản đồ.²

Tolman còn phân biệt bản đồ dạng dải (strip map) với bản đồ toàn diện (comprehensive map). Bản đồ dải nối vị trí hiện tại với đích bằng một lối đi đơn lẻ, còn bản đồ toàn diện biểu diễn một vùng rộng hơn của môi trường.² Sự khác biệt chỉ lộ ra khi môi trường thay đổi, vì bản đồ rộng giúp con vật vẫn tìm được lối mới.² Ví dụ minh họa: người chỉ nhớ một con hẻm đi làm sẽ lúng túng khi hẻm ấy bị rào để sửa, còn người nắm cả khu phố có nhiều lối hơn.

Tolman đã quan sát gì ở chuột?

Một nhóm thí nghiệm mà Tolman dẫn lại là về học tiềm ẩn (latent learning). Trong một thí nghiệm công bố năm 1929, ba nhóm chuột chạy một mê cung sáu đoạn, mỗi ngày một lượt. Nhóm đối chứng luôn thấy thức ăn ở cuối mê cung, còn hai nhóm thí nghiệm chỉ được cho ăn trong lồng nuôi cho tới ngày thứ bảy hoặc ngày thứ ba.² Số lỗi của hai nhóm này gần như không giảm khi chưa có thức ăn, rồi giảm rất nhanh ngay sau lần đầu chúng tìm thấy thức ăn.²

Tolman diễn giải rằng trong những lượt không có thức ăn, chuột vẫn đang xây dựng một “bản đồ” của mê cung và chỉ dùng nó khi có động lực.² Nói cách khác, hiểu biết về mê cung đã hình thành trước khi nó được thể hiện thành hành vi.² Cần phân biệt cách diễn giải của ông với điều thí nghiệm trực tiếp đo được, tức là số lỗi giảm sau khi có phần thưởng.

Một thí nghiệm khác dùng mê cung nâng cao có mặt bàn tròn. Chuột được huấn luyện chạy từ điểm xuất phát qua mặt bàn và một hành lang để tới hộp thức ăn. Sau đó lối này bị chặn và thay bằng nhiều lối tỏa ra như tia nắng. Sau khi thử gần như mọi lối, mỗi con chọn chạy hết một lối, và lối được chọn nhiều nhất hướng tới điểm ngay trước vị trí cũ của hộp thức ăn.² Lối được chọn nhiều thứ hai vuông góc với phía căn phòng có thức ăn.²

Từ kết quả này, Tolman cho rằng chuột đã học được một bản đồ toàn diện về hướng của thức ăn trong phòng, không chỉ một lối đi cụ thể.² Cần đọc kết quả kèm giới hạn. Đây là thí nghiệm trên chuột từ thập niên 1940, được Tolman tóm tắt lại trong một bài báo. Chính ông ghi rõ một số kết quả do đồng nghiệp thực hiện hoặc mới được biết qua bản thảo sơ bộ.² Vì vậy chúng không cho phép suy trực tiếp ra cách con người học.

Cuối bài báo, Tolman suy đoán rằng bản đồ có xu hướng hẹp lại khi động lực quá mạnh hoặc quá thất vọng, rồi nêu vài ví dụ về con người.² Ông tự nhận lập luận ở phần này ngắn gọn, tùy tiện và khẳng định cứng, đồng thời nói mình không phải nhà lâm sàng hay nhà tâm lý học xã hội.² Đó là suy đoán của ông, không phải phát hiện từ thí nghiệm, nên bài này không dùng nó để giải thích hành vi hay quan hệ của người đọc. Tiểu sử và đóng góp rộng hơn của ông có trong bài về Edward Tolman.

Tế bào vị trí là gì và vì sao được trao giải Nobel?

Tế bào vị trí (place cell) là tế bào thần kinh ở hồi hải mã (hippocampus) tăng tần số phát xung khi con vật đi qua một vùng nhất định của môi trường. Nhờ vậy các tế bào này tạo nên một bản đồ phụ thuộc vào bối cảnh của khu vực xung quanh.³ Đây là mô tả hoạt động điện được ghi từ tế bào, không phải việc nhìn thấy một tấm bản đồ theo nghĩa đen trong não.

Ghi nhận ban đầu được công bố năm 1971 với nhan đề nói về hồi hải mã như một bản đồ không gian, và chính nhan đề gọi đây là bằng chứng sơ bộ ở chuột di chuyển tự do.⁴ Theo thông cáo của Hội đồng Nobel tại Viện Karolinska, John O’Keefe ghi hoạt động của các tế bào này ở chuột và kết luận rằng chúng tạo nên một bản đồ của căn phòng.⁵ Năm 2005, May-Britt Moser và Edvard Moser phát hiện thêm tế bào lưới (grid cell) ở vỏ nội khứu (entorhinal cortex), vùng nằm gần hồi hải mã.⁵

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2014 được trao cho những khám phá về các tế bào cấu thành một hệ thống định vị trong não.⁵ Thông cáo dùng hình ảnh “GPS bên trong” để mô tả hệ thống này.⁵ Đây là cách ví von, vì GPS thật đo vị trí bằng tín hiệu vệ tinh, còn tế bào vị trí phát xung theo nơi con vật đang ở trong một môi trường cụ thể.³ Một tổng quan năm 2017 còn nêu thêm tế bào biên và tế bào hướng đầu, cùng được cho là tham gia vào hệ thống này.¹

Con người có hệ thống tương tự không?

Một nghiên cứu năm 2003 đã ghi trực tiếp hoạt động của 317 tế bào thần kinh ở thùy thái dương trong và thùy trán của người. Những người tham gia khi đó đang khám phá và di chuyển trong một thị trấn ảo. Nghiên cứu ghi nhận những tế bào đáp ứng ở các vị trí cụ thể, chủ yếu ở hồi hải mã, và những tế bào đáp ứng với hình ảnh các mốc, chủ yếu ở vùng cạnh hồi hải mã.³ Nhiều tế bào ở thùy trán và thùy thái dương còn đáp ứng với mục tiêu di chuyển của người tham gia.³

Một tổng quan năm 2017 kết luận rằng các nghiên cứu gần đây ở người cho thấy hồi hải mã và vỏ nội khứu giúp não ghi nhận không gian theo kiểu giống bản đồ.¹ Theo tổng quan này, các vùng não phía sau cung cấp thông tin giúp neo bản đồ vào những mốc cố định của môi trường.¹ Phần lớn bằng chứng ở người đến từ nhiệm vụ điều hướng trong điều kiện thí nghiệm, nên chưa cho phép nói mỗi người hình dung nơi mình sống như thế nào.

Bản đồ nhận thức có chỉ dành cho không gian?

Một tổng quan năm 2018 nhắc rằng đã có đề xuất về một bản đồ nhận thức ghi lại mối quan hệ giữa các sự vật trong thế giới, giúp hành vi linh hoạt. Tuy vậy, phần lớn bằng chứng thần kinh đến từ các nghiên cứu về điều hướng không gian.⁶ Những công trình gần đây mô tả điểm tương đồng giữa hoạt động thần kinh ở hành vi không gian và phi không gian.⁶ Phần bàn về khả năng khái quát và suy luận của con người trong tổng quan này được chính tác giả đánh dấu là suy đoán.⁶

Một nghiên cứu năm 2016 chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI) khi người tham gia “di chuyển” giữa các khái niệm thay đổi theo hai chiều. Nhóm nghiên cứu ghi nhận một tín hiệu đối xứng lục giác, kiểu tín hiệu được cho là bắt nguồn từ tế bào lưới, ở những vùng não khá giống các vùng hoạt động khi điều hướng không gian.⁷ Tín hiệu này nhất quán giữa các buổi cách nhau một giờ và hơn một tuần.⁷ Kết quả gợi ý rằng não có thể sắp xếp cả những khái niệm không gắn với không gian theo cùng một kiểu quan hệ.⁷

Những nghiên cứu này không có nghĩa mọi niềm tin, ký ức hay mối quan hệ của bạn được lưu thành bản đồ theo cách đó. Chúng dựa trên những nhiệm vụ cụ thể trong phòng thí nghiệm, và tổng quan năm 2018 vẫn nhấn mạnh phần lớn bằng chứng đến từ nghiên cứu không gian.⁶ Khi ai đó nói “bản đồ cuộc đời” hay “bản đồ các mối quan hệ”, thường họ đang dùng một ẩn dụ, không phải khái niệm thần kinh học nói trên.

Điều gì về bản đồ nhận thức còn đang tranh luận?

Ngay cách hiểu thuật ngữ cũng chưa thống nhất. Một tổng quan năm 1996 chỉ ra hai định nghĩa chính của cụm từ này. Theo định nghĩa thứ nhất, gắn với Tolman, O’Keefe và Nadel, bản đồ nhận thức là một trí nhớ mạnh về các mốc, cho phép con vật đi tắt theo lối chưa từng đi. Theo định nghĩa thứ hai, đó là bất kỳ biểu diễn không gian nào mà con vật có.⁸

Tổng quan năm 1996 lập luận rằng chưa có loài vật nào được xác lập rõ là có bản đồ nhận thức theo nghĩa thứ nhất. Lý do là các kết quả đi tắt luôn có thể giải thích bằng cơ chế đơn giản hơn.⁸ Tác giả đề nghị nên tránh dùng thuật ngữ này.⁸ Quan điểm ấy được công bố trước các nghiên cứu ở người và nghiên cứu về tri thức khái niệm kể trên, nên nó cho thấy một cuộc tranh luận về định nghĩa, chưa phải kết luận hiện hành.

Tổng quan năm 2018 đặt thẳng câu hỏi bản đồ nhận thức là gì.⁶ Tổng quan này đề xuất rằng kiểu “bản đồ” thấy được trong các nghiên cứu không gian có thể là một trường hợp của một cơ chế chung hơn, có khả năng sắp xếp mọi loại tri thức.⁶ Nếu cùng một cơ chế não có thể tổ chức cả không gian lẫn ý niệm, “bản đồ” nên được hiểu hẹp là bản đồ không gian, hay rộng là mọi mối quan hệ giữa các thực thể? Các nguồn trong bài chưa đưa ra đáp án thống nhất.

Khi nào nên gặp chuyên gia?

Bài viết này là kiến thức nền và không thay thế việc thăm khám. Nếu bạn hoặc người thân thường xuyên lạc đường ở nơi vốn quen thuộc, hãy trao đổi với bác sĩ. Bạn cũng nên làm vậy khi trí nhớ thay đổi rõ rệt và ảnh hưởng đến sinh hoạt.

Tài liệu tham khảo học thuật