Ý Nghĩ Làm Thay Đổi Cấu Trúc Não Bộ Như Thế Nào?

Tôi đang ở trong phòng thí nghiệm ở Boston để được kích thích não từ tính, tại Trung tâm Y tế Beth Israel Deaconess, thuộc Trường Y Harvard. Alvaro Pascual- Leone là giám đốc của trung tâm, và các thí nghiệm của anh đã cho thấy chúng ta có thể thay đổi giải phẫu não chỉ bằng cách sử dụng trí tưởng tượng của mình. Anh vừa đặt một cái máy hình mái chèo ở bên trái đầu tôi. Thiết bị phát ra kích thích từ xuyên sọ, hay TMS, và có thể ảnh hưởng đến hành vi của tôi. Bên trong hộp nhựa của máy là một cuộn dây đồng, qua đó dòng điện đi qua để tạo ra một từ trường, thông qua đó một dòng điện đi qua để tạo ra một từ trường thay đổi đi vào bộ não của tôi, vào các sợi trục của các tế bào thần kinh của tôi, và từ đó vào bản đồ vận động của bàn tay tôi ở lớp ngoài của vỏ não của tôi. Một từ trường thay đổi tạo ra một dòng điện xung quanh nó và Pascual-Leone đã đi tiên phong trong việc sử dụng TMS để khiến các tế bào thần kinh bắn điện. Mỗi lần anh ấy bật từ trường, ngón tay thứ tư trên bàn tay phải của tôi di chuyển vì anh ấy đang kích thích một khu vực khoảng 0,5 cm khối trong não tôi, bao gồm hàng triệu tế bào—bản đồ não cho ngón tay đó.

TMS là một cây cầu khéo léo đi vào não tôi. Từ trường của nó đi qua không gây đau đớn và vô hại trong cơ thể tôi, chỉ tạo ra một dòng điện khi từ trường chạm đến các tế bào thần kinh của tôi. Wilder Penfield phải mở hộp sọ bằng phẫu thuật và đưa đầu dò điện của anh ấy vào não để kích thích vỏ não vận động hoặc vỏ não giác quan. Khi Pascual-Leone bật máy và làm cho tôi di chuyển ngón tay, tôi trải nghiệm chính xác những gì mà các bệnh nhân của Penfield đã làm khi anh ta cắt mở hộp sọ của họ và khích động chúng với các điện cực lớn.

Alvaro Pascual-Leone

Alvaro Pascual-Leone còn quá trẻ so với tất cả những thành tựu mà anh ấy đạt được. Anh sinh năm 1961 tại Valencia, Tây Ban Nha và đã tiến hành nghiên cứu cả ở đó và ở Hoa Kỳ. Cha mẹ của Pascual-Leone đều là bác sĩ, đã gửi anh theo học trường Đức ở Tây Ban Nha, nơi, giống như nhiều nhà khoa học thần kinh, anh học về các triết gia Hy Lạp và Đức cổ trước khi chuyển sang y học. Anh lấy bằng thạc sĩ và tiến sỹ về sinh lý học ở Freiburg, sau đó đến Hoa Kỳ để đào tạo thêm.

Pascual-Leone có làn da màu ô liu, mái tóc đen và giọng nói diễn cảm, và anh toát ra một vẻ vui tươi nghiêm túc. Văn phòng nhỏ của anh ta bị thống trị bởi màn hình máy tính khổng lồ của Apple mà anh sử dụng để hiển thị những gì anh nhìn thấy qua cửa sổ TMS về bộ não. E-mails từ các cộng tác viên đổ về từ những vùng xa xôi trên thế giới. Có những cuốn sách về điện từ học được đặt phía sau anh, và giấy tờ ở khắp mọi nơi.

Anh là người đầu tiên sử dụng TMS để lập bản đồ bộ não. TMS có thể được sử dụng để bật một vùng não hoặc ngăn chặn vùng não đó hoạt động, tùy thuộc vào cường độ và tần suất được sử dụng. Để xác định chức năng của một vùng não cụ thể, anh ta bắn TMS để tạm thời ngăn chặn hoạt động của khu vực này, sau đó quan sát chức năng tinh thần nào bị mất.

Anh cũng là một trong những người tiên phong vĩ đại trong việc sử dụng “TMS lặp lại” tần số cao, hoặc rTMS. TMS lặp lại tần số cao có thể kích hoạt các tế bào thần kinh đến mức chúng kích thích lẫn nhau và tiếp tục bắn (điện) ngay cả sau khi cú bắn ban đầu của rTMS đã dừng. Điều này kích hoạt một vùng não bộ trong một thời gian và có thể được sử dụng trong điều trị. Ví dụ, trong một số trường hợp trầm cảm, vỏ não trước trán bị vô hiệu lực một phần và hoạt động kém chức năng. Nhóm của Pascual-Leone là nhóm đầu tiên cho thấy rTMS có hiệu quả trong điều trị những bệnh nhân trầm cảm nặng như vậy. Bảy mươi phần trăm những người đã thất bại trong tất cả các phương pháp điều trị truyền thống đã được cải thiện với rTMS và có ít tác dụng phụ hơn so với dùng thuốc.

Đầu những năm 1990, khi Pascual-Leone vẫn còn là một bác sĩ y khoa trẻ tuổi tại Viện Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ Quốc gia, anh đã làm các thí nghiệm- đã hoàn thiện một phương pháp để lập bản đồ não, khiến những thực nghiệm về trí tưởng tượng của anh trở nên khả thi, và dạy cho chúng ta  cách ta học các kỹ năng.

Anh nghiên cứu cách người ta học những kỹ năng mới bằng cách sử dụng TMS để lập bản đồ bộ não của các đối tượng bị mù học cách đọc chữ nổi. Các đối tượng học chữ nổi trong một năm, năm ngày một tuần, hai giờ một ngày trong lớp, sau đó là một giờ làm bài tập về nhà. Những người đọc chữ nổi “quét” bằng cách di chuyển ngón tay trỏ của họ qua một loạt các chấm nhỏ nổi lên, một hoạt động vận động. Sau đó họ cảm nhận cách sắp xếp của các chấm, một hoạt động cảm giác. Những phát hiện đó là một trong những phát hiện đầu tiên xác nhận rằng khi con người học một kỹ năng mới, sự thay đổi về tính dẻo (thần kinh) xảy ra.

Khi Pascual-Leone sử dụng TMS để lập bản đồ vỏ não vận động, ông phát hiện thấy các bản đồ cho “ngón tay đọc chữ nổi” của con người lớn hơn những bản đồ cho các ngón tay trỏ khác của họ và cả các bản đồ cho các ngón trỏ của người-không đọc chữ nổi. Pascual-Leone cũng phát hiện thấy bản đồ vỏ não vận động tăng kích thước khi các đối tượng tăng số lượng từ họ có thể đọc trong mỗi phút. Nhưng khám phá gây bất ngờ nhất của ông, một điều có ý nghĩa lớn đối với việc học bất kỳ kỹ năng nào, là cách sự thay đổi tính dẻo (thần kinh) xảy ra trong mỗi tuần. Các đối tượng được lập bản đồ với TMS vào thứ Sáu (vào cuối khóa đào tạo trong tuần) và vào thứ Hai (sau khi họ nghỉ ngơi vào cuối tuần). Pascual-Leone thấy rằng những thay đổi là khác nhau vào thứ Sáu và thứ Hai. Từ lúc bắt đầu nghiên cứu, các bản đồ thứ Sáu cho thấy sự mở rộng rất nhanh và mạnh mẽ, nhưng đến thứ Hai, các bản đồ này đã trở về lại kích thước chuẩn của chúng. Các bản đồ Thứ Sáu tiếp tục phát triển trong sáu tháng— ngoan cố quay trở lại kích thước cơ bản mỗi thứ Hai. Sau khoảng sáu tháng, các bản đồ Thứ Sáu vẫn tăng nhưng không nhiều như trong sáu tháng đầu tiên. Các Bản đồ thứ Hai cho thấy một mô hình ngược lại. Chúng không bắt đầu thay đổi cho đến sáu tháng bước vào khóa đào tạo; sau đó chúng tăng chậm và giữ nguyên ở tháng thứ mười.

Tốc độ mà các đối tượng có thể đọc chữ nổi có tương quan tốt hơn nhiều so với bản đồ Thứ Hai, và mặc dù những thay đổi vào Thứ Hai không lớn bằng thứ Sáu, nhưng chúng lại mang tính ổn định hơn. Vào cuối mười tháng, các sinh viên chữ nổi được nghỉ hai tháng. Khi họ trở lại lớp, họ được lập bản đồ lại và các bản đồ não của họ không thay đổi kể từ lần lập bản đồ Thứ hai cuối cùng. Do đó, việc đào tạo hàng ngày đã dẫn đến những thay đổi lớn trong ngắn hạn trong suốt 1 tuần. Nhưng vào cuối tuần và tháng, những thay đổi lâu dài hơn đã được nhìn thấy vào thứ Hai.

Pascual-Leone tin rằng các kết quả khác nhau vào thứ Hai và thứ Sáu cho thấy các cơ chế về tính dẻo (thần kinh) khác nhau. Những thay đổi nhanh vào thứ Sáu tăng cường các kết nối thần kinh đang tồn tại và phơi bày những con đường mòn (thần kinh) bị che giấu. Những thay đổi vào thứ Hai chậm hơn, lâu dài hơn cho thấy sự hình thành các cấu trúc hoàn toàn mới, có thể đó là sự nảy sinh của các kết nối và khớp thần kinh mới.

Hiểu được hiệu ứng rùa và thỏ này có thể giúp chúng ta hiểu được những gì ta phải làm để thực sự thông thạo các kỹ năng mới. Sau một thời gian thực hành ngắn, như khi ta nhồi nhét kiến thức chuẩn bị cho một bài kiểm tra, sự tiến bộ tương đối dễ dàng vì chúng ta có khả năng tăng cường các kết nối synap hiện có. Nhưng ta cũng nhanh chóng quên đi những gì mình đã nhồi nhét – bởi những kết nối thần kinh dễ đến, dễ đi và nhanh chóng đảo ngược. Duy trì sự tiến bộ và khiến một kỹ năng trở nên lâu bền đòi hỏi nỗ lực đều đặn từ từ để có thể hình thành các kết nối mới. Nếu một người học cho rằng anh ta không đạt được sự tiến bộ tích lũy, hoặc cảm thấy tâm trí anh ta “giống như một cái sàng (cái rây),” thì anh ta cần tiếp tục kiên trì rèn luyện kỹ năng cho đến khi anh ta đạt được “hiệu ứng thứ Hai,” mà những người đọc chữ nổi phải mất tới 6 tháng mới có được. Sự khác nhau giữa thứ Hai Thứ Sáu có thể lý giải tại sao một số người, “những chú rùa”, những người có vẻ chậm chạp trong việc nắm bắt một kỹ năng, nhưng lại có thể học được nó tốt hơn những bạn “thỏ” của họ – “những người học nhanh” sẽ chẳng giữ được những gì mà họ đã học nếu không duy trì việc luyện tập củng cố việc học.

Pascual-Leone đã mở rộng nghiên cứu của mình để kiểm tra xem người đọc chữ nổi có được nhiều thông tin như thế nào qua các đầu ngón tay của họ. Người ta biết rằng người mù có thể phát triển các giác quan phi-thị giác vượt trội và người đọc chữ nổi có được sự nhạy cảm phi thường trong các ngón tay đọc chữ nổi của họ.

Pascual-Leone muốn xem thử liệu kỹ năng tăng lên đó được tạo thuận lợi bằng cách mở rộng bản đồ cảm giác về xúc giác hoặc bằng cách thay đổi tính dẻo ở những phần khác của não bộ, chẳng hạn như vỏ não thị giác, có thể chưa được tận dụng, vì nó không còn nhận được thông tin từ đôi mắt.

Đọc ngay: Những hiểu lầm tai hại về bộ não

Ông lập luận rằng nếu vỏ não thị giác giúp đối tượng đọc chữ nổi, thì chặn nó lại sẽ ngăn cản việc đọc chữ nổi. Và đúng như thế: khi nhóm dùng TMS để chặn vỏ não thị giác của người đọc chữ nổi nhằm tạo ra một tổn thương ảo, các đối tượng không thể đọc được chữ nổi hoặc cảm nhận bằng ngón tay đọc chữ nổi. Vỏ não thị giác được dùng để xử lý thông tin đến từ sự đụng chạm. Nhưng dùng TMS để chặn vỏ não thị giác ở người sáng mắt lại không ảnh hưởng đến khả năng cảm nhận của họ, cho thấy rằng có một điều gì đó độc đáo đang xảy ra với những người mù đọc chữ nổi: một phần não dành cho một giác quan này đã được dành cho một giác quan khác— một kiểu tái tổ chức tính dẻo (thần kinh) được đề xuất bởi Bach-y-Rita. Pascual-Leone cũng chỉ ra rằng một người càng có thể đọc chữ nổi tốt, thì vỏ não thị giác càng tham gia vào quá trình đó nhiều hơn. Bước mạo hiểm tiếp theo của anh ấy sẽ tạo ra đột phá theo một cách hoàn toàn mới, bằng cách cho thấy những suy nghĩ của chúng ta có thể làm thay đổi cấu trúc vật chất của bộ não chúng ta.

Anh ta sẽ nghiên cứu cách thức mà các ý nghĩ làm thay đổi bộ não bằng cách sử dụng TMS để quan sát những thay đổi ở bản đồ ngón tay của những người đang học chơi piano. Một trong những người hùng của Pascual- Leone, nhà giải phẫu học thần kinh người Tây Ban Nha và đoạt giải Nobel, laureate Santiago Ramon y Cajal, người đã dành cả cuộc đời sau này để tìm kiếm một cách vô vọng tính dẻo của não bộ, vào năm 1894 đã cho rằng “cơ quan của ý nghĩ, trong giới hạn nhất định, rất dễ uốn nắn và  hoàn thiện bằng các bài rèn luyện tinh thần được định hướng tốt.” Năm 1904 ông cho rằng những suy nghĩ, được lặp đi lặp lại trong “bài tập tinh thần,” phải củng cố các kết nối thần kinh hiện có và tạo ra những kết nối mới. Ông cũng có linh cảm rằng quá trình này sẽ đặc biệt rõ ràng trong các tế bào thần kinh kiểm soát các ngón tay ở những nghệ sĩ piano, những người đã thực hành bài tập tinh thần rất nhiều. Ramon y Cajal, sử dụng trí tưởng tượng của mình, đã vẽ một bức tranh về một bộ não ni-lông, nhưng thiếu công cụ để chứng minh điều đó. Còn Pascual-Leone bây giờ thì tin rằng anh ta đang có một công cụ trong TMS để kiểm tra xem liệu việc thực hành tinh thần và trí tưởng tượng trên thực tế có dẫn đến sự thay đổi vật lý hay không.

Chi tiết của thực nghiệm về trí tưởng tượng khá đơn giản và chọn ý tưởng của Cajal để chơi piano. Pascual-Leone đã dạy hai nhóm người-chưa bao giờ học piano- một chuỗi các nốt nhạc, chỉ cho họ thấy những ngón tay nào di chuyển và để cho họ nghe các nốt nhạc khi họ chơi. Sau đó, các thành viên của một nhóm, nhóm “thực hành tinh thần”, ngồi trước bàn phím piano điện, hai giờ một ngày, trong năm ngày, và tưởng tượng đang chơi khúc nhạc và nghe nó chơi,và nhóm thứ hai “thực hành bằng cơ thể” nhóm thực sự chơi nhạc trong hai giờ một ngày, trong năm ngày. Cả hai nhóm đều được lập bản đồ não trước thí nghiệm, mỗi ngày trong khi chơi, và sau đó. Sau đó cả hai nhóm được yêu cầu chơi khúc nhạc, và một máy tính đo độ chính xác của màn biểu diễn của họ.

Pascual-Leone thấy rằng cả hai nhóm học cách chơi khúc nhạc, và cả hai nhóm đều cho thấy những sự thay đổi giống nhau trong bản đồ não. Đáng chú ý, chỉ riêng việc thực hành tinh thần cũng tạo ra những thay đổi vật lý tương tự trong hệ thống vận động giống như việc thực hành chơi piano thật. Đến cuối ngày thứ năm, những thay đổi trong những tín hiệu vận động đến các cơ bắp là tương tự ở cả hai nhóm, và những người chơi piano tưởng tượng cũng chơi chính xác như những người chơi thật vào ngày thứ ba của họ.

Tuy nhiên, mức độ tiến bộ trong năm ngày ở nhóm rèn luyện tinh thần, không lớn bằng những người thực hành thực tế. Nhưng khi nhóm thực hành tinh thần kết thúc khóa huấn luyện tinh thần và được tham gia một buổi luyện đàn thật kéo dài hai giờ, thành tích tổng thể của nhóm này đã cải thiện đến mức ngang bằng thành tích của nhóm luyện đàn thất trong 5 ngày. Rõ ràng thực hành tinh thần là một cách hiệu quả để chuẩn bị cho việc học một kỹ năng thể chất nhưng với mức thực hành (thể chất) tối thiểu.

Tất cả chúng ta đều làm những gì các nhà khoa học gọi là luyện tập tinh thần hoặc tập dợt tinh thần khi chúng ta ghi nhớ câu trả lời cho một bài kiểm tra, học lời thoại cho một vở kịch, hoặc tập dợt bất kì bài biểu diễn hoặc thuyết trình nào. Nhưng vì ít người trong chúng ta làm điều đó một cách có hệ thống, chúng ta đánh giá thấp hiệu quả của nó.

Một số vận động viên và nhạc sĩ sử dụng nó để chuẩn bị cho buổi biểu diễn của họ, và đến cuối sự nghiệp của mình, nghệ sĩ dương cầm hòa nhạc Glenn Gould chủ yếu dựa vào luyện tập tinh thần khi chuẩn bị thu âm một bản nhạc.

Một trong những hình thức luyện tập tinh thần cao cấp nhất là “chơi cờ vua bằng tinh thần”, chơi cờ mà không cần bàn cơ hay quân cờ. Người chơi tưởng tượng ra bàn cờ và cách chơi, theo dõi vị trí của quân cờ. Anatoly Sharansky, nhà hoạt động nhân quyền Liên Xô, đã sử dụng cờ vua tinh thần để sống sót trong tù. Sharansky, một chuyên gia máy tính người Do Thái bị vu cáo làm gián điệp cho Mĩ năm 1977, đã ở tù chín năm, trong đó có bốn trăm ngày bị biệt giam trong xà lim lạnh lẽo, tối tăm chỉ rộng 5 đến 6 foot (khoảng nửa mét vuông). Các tù nhân chính trị bị cô lập thường bị suy sụp tinh thần vì bộ não sử dụng-nó-hay-đánh mất-nó cần kích thích từ bên ngoài để duy trì các bản đồ não của nó. Trong khoảng thời gian thiếu hụt cảm giác kéo dài này, Sharansky đã chơi cờ vua tinh thần trong nhiều tháng liên tục, điều này có thể giúp anh ta giữ cho bộ não của mình không bị suy thoái. Anh chơi cả hai quân đen và trắng, nhớ thế cờ trong đầu, từ những góc nhìn đối lập — một thách thức phi thường đối với bộ não. Sharansky từng nửa đùa nửa thật bảo với tôi rằng anh ta vẫn tiếp tục luyện cờ tinh thần để có thể tranh thủ cơ hội trở thành nhà vô địch thế giới. Sau khi được thả, nhờ phương Tây giúp đỡ bằng cách gây áp lực, anh đến Israel trở thành một bộ trưởng nội các. Khi nhà vô địch thế giới Garry Kasparov thi đấu với thủ tướng và các nhà lãnh đạo nội các, ông đã đánh bại tất cả bọn họ, ngoại trừ Sharansky.

Anatoly Sharansky

Chúng ta biết từ ảnh chụp não (quét não) những người dành một lượng lớn thời gian để thực hành tinh thần về những điều gì đang diễn ra trong bộ não của Sharansky trong khi anh ta đang ở tù. Hãy xem xét trường hợp của Rudiger Gamm, một thanh niên người Đức có trí thông minh bình thường, người đã biến mình thành một hiện tượng toán học, một người-máy tính. Dù Gamm không được sinh ra với khả năng toán học thiên bẩm, giờ đây anh ta có thể tính được những phép tính phức tạp và giải quyết các vấn đề như “68 nhân 76 bằng bao nhiêu?” trong 5 giây. Đầu độ tuổi 20, Gamm, người làm việc trong một ngân hàng, bắt đầu dành bốn giờ mỗi ngày để thực hành tính toán. Khi anh hai mươi sáu tuổi, anh đã trở thành một thiên tài tính toán, có thể kiếm sống bằng cách biểu diễn trên truyền hình. Các nhà điều tra đã kiểm tra anh ta bằng chụp ghi hình cắt lớp Positron (PET) trong khi anh ta đang tính toán. Họ phát hiện thấy anh ta có thể sử dụng đến 5 vùng não để tính toán hơn người “bình thường”. Nhà tâm lý học Anders Ericsson, một chuyên gia về phát triển chuyên môn (sự tinh thông), đã chỉ ra rằng những người như Gamm dựa vào trí nhớ dài hạn để giúp họ giải quyết các vấn đề toán học trong khi những người khác thì dựa vào trí nhớ ngắn hạn. Các chuyên gia không có sẵn các câu trả lời, nhưng họ lưu giữ những sự kiện và chiến lược then chốt để giúp họ có được câu trả lời, và họ có thể ngay lập tức truy cập được chúng, như thể chúng vốn nằm trong bộ nhớ ngắn hạn. Việc sử dụng trí nhớ dài hạn này để giải quyết vấn đề là điển hình của các chuyên gia trong hầu hết các lĩnh vực, và Ericsson nhận thấy rằng việc trở thành một chuyên gia trong hầu hết các lĩnh vực thường mất khoảng một thập kỷ nỗ lực tập trung.

Một lý do chúng ta có thể thay đổi bộ não của mình chỉ bằng cách tưởng tượng là, từ quan điểm khoa học thần kinh, việc tưởng tượng về một hành động và thực hiện hành động đó không khác nhau là mấy. Khi mọi người nhắm mắt lại và hình dung ra một vật thể đơn giản, chẳng hạn như chữ a, vỏ não thị giác sáng lên, giống như khi các đối tượng thực sự nhìn vào chữ a. Quét não cho thấy trong hành động và trí tưởng tượng, nhiều phần giống nhau của não bộ được kích hoạt. Đó là lý do tại sao tưởng tượng có thể cải thiện hiệu suất.

Trong một thí nghiệm khó tin vì nó quá đơn giản, Tiến sĩ Guang Yue và Kelly Cole cho thấy rằng tưởng tượng một người đang sử dụng cơ bắp của họ trên thực tế có thể khiến chúng săn chắc hơn. Nghiên cứu đã xem xét hai nhóm, một nhóm tập thể dục và một nhóm tưởng tượng mình đang tập thể dục.

Cả hai nhóm tập một cơ ngón tay, từ thứ Hai đến thứ Sáu, trong bốn tuần. Nhóm tập thể dục đã thực hiện 15 lần co cơ tối đa, với thời gian nghỉ hai mươi giây giữa mỗi lần. Nhóm tinh thần chỉ tưởng tượng mình đang thực hiện 15 lần co cơ tối đa, với khoảng nghỉ hai mươi giây giữa mỗi lần, đồng thời tưởng tượng đang có một giọng nói thét lên với họ “Mạnh lên! Mạnh lên! Mạnh lên!”

Vào cuối cuộc nghiên cứu, các đối tượng tập thể dục đã tăng 30% sức mạnh cơ bắp của họ, đúng như ta kỳ vọng. Còn nhóm chỉ tưởng tượng tập thể dục, trong cùng thời gian, đã tăng sức mạnh cơ bắp lên 22 phần trăm. Lời giải thích nằm trong các tế bào thần kinh vận động của não “lập trình” các chuyển động. Trong những lần căng cơ tưởng tượng này, các tế bào thần kinh chịu trách nhiệm cho việc nối các chuỗi hướng dẫn chuyển động với nhau được kích hoạt và tăng cường, dẫn đến tăng cường sức mạnh khi các cơ được căng.

Nghiên cứu này đã dẫn đến sự phát triển của những cỗ máy đầu tiên thực sự “đọc được” suy nghĩ của con người. Cỗ máy dịch-suy nghĩ kết nối với chương trình vận động ở người hay một động vật đang tưởng tượng về một hành động, giải mã dấu hiệu điện riêng biệt của ý nghĩ, và truyền đi một mệnh lệnh điện đến một thiết bị đưa ý nghĩ thành hành động. Những cái máy này có hiệu lực vì bộ não có tính dẻo (thần kinh) và làm thay đổi trạng thái và cấu trúc của não bộ khi chúng ta nghĩ, theo cách có thể được theo dõi bằng các đo lường điện tử .

Những thiết bị này hiện đang được phát triển để cho phép những người bị tê liệt hoàn toàn di chuyển đồ vật bằng suy nghĩ của họ. Khi máy móc trở nên tinh vi hơn, chúng có thể được phát triển thành máy đọc suy nghĩ, chúng nhận ra và dịch nội dung của một ý nghĩ, và có khả năng thăm dò nhiều hơn so với máy phát hiện nói dối, chỉ có thể phát hiện mức độ căng thẳng khi một người nói dối.

Những máy này được phát triển trong một vài bước đơn giản. Vào giữa những năm 1990, tại Đại học Duke, Miguel Nicolelis và John Chapin đã bắt đầu một thí nghiệm về hành vi, với mục tiêu học cách đọc suy nghĩ của một con vật. Họ đã huấn luyện một con chuột nhấn cần gạt, gắn điện tử vào cơ chế thoát-nước. Mỗi lần chuột nhấn cần gạt, cơ chế tiết ra một giọt nước cho chuột uống. Con chuột bị cắt bỏ một phần nhỏ hộp sọ và một nhóm nhỏ các điện cực nhỏ được gắn vào vỏ não vận động của nó. Những điện cực này đã ghi lại hoạt động của bốn mươi sáu tế bào thần kinh trong vỏ não vận động liên quan đến việc lập kế hoạch và lập trình các chuyển động, các tế bào thần kinh thường gửi chỉ dẫn xuống tủy sống đến các cơ. Vì mục tiêu của thí nghiệm là ghi lại các suy nghĩ, thứ vốn phức tạp, bốn mươi sáu tế bào thần kinh phải được đo đồng thời. Mỗi lần con chuột di chuyển cần gạt, Nicolelis và Chapin ghi lại sự bắn điện của bốn mươi sáu tế bào thần kinh lập trình-vận động, và các tín hiệu được gửi đến một máy tính nhỏ. Chẳng mấy chốc, máy tính đã “nhận ra” kiểu bắn để nhấn cần gạt.

Sau khi chuột quen với việc nhấn cần gạt, Nicolelis và Chapin ngắt kết nối giữa cần gạt với cơ chế giải phóng nước. Bây giờ khi chuột nhấn cần gạt, nước không chảy ra. Thất vọng, nó nhấn cần gạt nhiều lần, nhưng vô ích. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã kết nối cơ chế giải phóng nước với chiếc máy tính đã được kết nối với các tế bào thần kinh của chuột. Theo lý thuyết, mỗi lần chuột có ý nghĩ “nhấn cần gạt” thì máy tính sẽ nhận ra kiểu bắn điện của nơ-ron thần kinh và gửi tín hiệu đến cơ chế nhỏ 1 giọt nước.

Sau vài giờ, con chuột nhận ra nó không phải chạm vào cần gạt để lấy nước. Tất cả những gì nó phải làm là tưởng tượng bàn chân của nó ấn vào cần gạt và nước sẽ có! Nicolelis và Chapin đã huấn luyện bốn con chuột để thực hiện nhiệm vụ này.

Sau đó, họ bắt đầu dạy những con khỉ thực hiện những bản dịch-suy nghĩ phức tạp hơn. Belle, một con khỉ cú, được huấn luyện để sử dụng cây gậy-niềm vui để theo dõi ánh sáng khi nó di chuyển trên màn hình video. Nếu cô thành công thì sẽ được uống một giọt nước ép trái cây. Mỗi lần cô di chuyển cây gậy niềm vui, các tế bào thần kinh của cô bắn điện và mô hình được phân tích về mặt toán học bởi một máy tính.  Mô hình bắn nơ-ron thần kinh luôn xảy ra 300 mili giây trước khi Belle thực sự di chuyển cây gậy niềm vui, vì phải mất thời gian rất lâu để não bộ của cô gửi lệnh xuống tủy sống đến cơ bắp. Khi cô di chuyện gậy sang bên phải, một mô hình “di chuyển cánh tay sang bên phải” xuất hiện trong não cô và máy tính đã phát hiện ra nó; Khi cô di chuyển cánh tay sang bên trái, máy tính phát hiện ra mô hình đó. Sau đó, máy tính đã chuyển đổi các mô hình toán học này thành các lệnh được gửi đến một cánh tay robot, khuất khỏi tầm nhìn của Belle. Các mô hình toán học cũng được truyền từ Đại học Duke đến một cánh tay robot thứ hai trong phòng thí nghiệm ở Cambridge, Massachusetts. Một lần nữa, như trong thí nghiệm với chuột, không có mối liên hệ nào giữa cây gậy niềm vui và cánh tay robot; cánh tay robot kết nối với máy tính, đọc các mô hình trong tế bào thần kinh của Belle. Hy vọng là cánh tay robot ở Duke và ở Cambridge sẽ di chuyển chính xác khi cánh tay của Belle di chuyển, 300 mili giây sau khi cô nghĩ.

Khi các nhà khoa học thay đổi ngẫu nhiên kiểu ánh sáng trên màn hình máy tính và cánh tay thật của Belle di chuyển cây gậy niềm vui, và cánh tay robot ở cách đó 600 dặm cũng làm theo, chỉ hoạt động nhờ những ý nghĩ của cô được truyền tín hiệu bởi máy vi tính. Kể từ đó, nhóm nghiên cứu đã dạy một số con khỉ chỉ sử dụng suy nghĩ của chúng để di chuyển một cánh tay robot theo bất kỳ hướng nào trong không gian ba chiều, để thực hiện các chuyển động phức tạp— chẳng hạn như tiếp cận và túm lấy các vật thể. Các con khỉ cũng chơi video games (và có vẻ thích chúng) chỉ sử dụng ý nghĩ của chúng để di chuyển con trỏ chuột trên màn hình và tiêu diệt một mục tiêu đang chuyển động.

Nicolelis và Chapin hy vọng rằng nghiên cứu của họ sẽ giúp được cho các bệnh nhân mắc nhiều chứng liệt khác nhau. Điều đó đã xảy ra vào tháng 7 năm 2006, khi một nhóm được lãnh đạo bởi nhà thần kinh học John Donoghue, từ Đại học Brown, đã sử dụng một kỹ thuật tương tự với một người.

Người đàn ông hai mươi lăm tuổi, Matthew Nagle, đã bị đâm vào cổ và bị liệt ở cả bốn chi do chấn thương tủy sống. Một con chip silicon nhỏ, không gây đau với hàng trăm điện cực được cấy vào não anh ta và gắn vào máy tính. Sau bốn ngày luyện tập, anh ta đã có thể di chuyển con trỏ máy tính trên màn hình, mở e-mail, đổi kênh TV và điều chỉnh âm lượng trên tivi, chơi trò chơi trên máy tính và điều khiển cánh tay robot bằng suy nghĩ của mình. Những bệnh nhân bị loạn dưỡng cơ, đột quỵ và bệnh thần kinh vận động được lên kế hoạch để dùng thử các thiết bị dịch-ý nghĩ tiếp theo. Mục tiêu cuối cùng trong các phương pháp này là cấy được một mảng vi điện cực nhỏ, với pin và một bộ truyền có kích thước bằng một cái móng tay của em bé trong vỏ não vận động. Một máy tính nhỏ có thể được kết nối với cánh tay robot hoặc kết nối không dây với một bộ kiểm soát xe lăn hoặc với các điện cực được cấy vào cơ bắp để kích hoạt chuyển động. Một số nhà khoa học hy vọng sẽ phát triển một công nghệ ít xâm lấn hơn các vi điện cực để phát hiện sự bắn điện của tế bào thần kinh— có thể là một biến thể của TMS, hoặc một thiết bị mà Taub và các đồng nghiệp đang phát triển để phát hiện những thay đổi của sóng não.

Điều mà những thí nghiệm về “trí tưởng tượng” này chỉ ra đó là trí tưởng tượng và hành động thực sự thống nhất với nhau như thế nào, mặc dù thực tế là chúng ta có xu hướng tin rằng trí tưởng tượng và hành động là hoàn toàn khác nhau và tuân theo các quy tắc khác nhau. Nhưng hãy xem xét điều này: trong một số trường hợp, bạn càng có thể tưởng tượng một việc gì đó nhanh hơn, thì bạn càng có thể làm nó nhanh hơn. Jean Decety ở Lyon, Pháp, đã thực hiện các phiên bản khác nhau của một thí nghiệm đơn giản. Khi bạn tính thời gian xem mất bao lâu để tưởng tượng viết tên bạn bằng “tay thuận” của bạn, và sau đó viết nó ra, khoảng thời gian tưởng tượng và thời gian viết là như nhau. Khi bạn tưởng tượng viết tên bạn bằng tay không thuận, bạn sẽ mất thời gian lâu hơn để tưởng tượng nó và viết nó ra. Đa số những người thuận tay phải nhận thấy “bàn tay trái tinh thần” của họ chậm hơn “bàn tay phải tinh thần” của họ. Trong các nghiên cứu về bệnh nhân bị đột quỵ hoặc mắc bệnh Parkinson (khiến cho những động tác của họ chậm chạp). Decety quan sát thấy rằng bệnh nhân mất nhiều thời gian hơn để tưởng tượng việc di chuyển chi bị ảnh hưởng hơn so với người không bị ảnh hưởng. Cả hành động và tưởng tượng tinh thần được coi là trở nên chậm chạp bởi vì chúng đều là sản phẩm của cùng một chương trình vận động trong não bộ. Tốc độ mà chúng ta tưởng tượng có lẽ bị hạn chế bởi tốc độ bắn nơ-ron thần kinh của các chương trình vận động của chúng ta.

Pascual-Leone đã tìm hiểu cặn kẽ về cách thức mà tính dẻo thần kinh, thứ thúc đẩy sự thay đổi, cũng có thể dẫn đến sự cứng nhắc và lặp đi lặp lại trong não bộ, và những hiểu biết sâu sắc đó giúp xử lý nan đề này: nếu bộ não của chúng ta có tính dẻo và có thể thay đổi được thì tại sao chúng ta thường bị kẹt trong (hành vi) lặp đi lặp lại cứng nhắc? Câu trả lời trước hết nằm ở cách ta hiểu bộ não có tính dẻo dai như thế nào.

Plasticina, anh ấy nói với tôi, là từ tiếng Tây Ban Nha có nghĩa là “dẻo”, và nó nắm bắt được một điều gì đó mà từ tiếng Anh không làm được. Plasticina, trong tiếng Tây Ban Nha, cũng là tử chỉ về “Play-Doh” hoặc  “plasticine” và mô tả về một chất (vật chất, tính chất) về cơ bản là ấn tượng. Đối với anh ta, bộ não của chúng ta rất dẻo đến nỗi ngay cả khi chúng ta thực hiện cùng một hành vi ngày này qua ngày khác,  các kết nối thần kinh chịu trách nhiệm mỗi lần hơi khác nhau vì những gì mà chúng ta đã làm trong khoảng thời gian can thiệp.

“Tôi tưởng tượng,” Pascual-Leone nói, “hoạt động của bộ não cũng giống như đồ chơi đất nặn Play-Doh.” Chúng ta nặn được tất cả mọi thứ từ cục Play-Doh. Nhưng, anh nói thêm, “Nếu bạn bắt đầu với một gói Play-Doh là một hình vuông, và sau đó bạn tạo ra một quả bóng từ nó, thì nó có thể quay lại hình vuông. Nhưng nó sẽ không phải là hình vuông giống như lúc bạn bắt đầu.”  Các kết quả xuất hiện tương tự nhưng không giống nhau. Các phân tử trong hình vuông mới được sắp xếp khác so với trong hình cũ. Nói cách khác, những hành vi tương tự, được thực hiện tại các thời điểm khác nhau, sử dụng các mạch não khác nhau. Đối với anh ta, ngay cả khi một bệnh nhân có vấn đề về thần kinh hoặc tâm lý được “chữa khỏi” , thì phương pháp chữa trị đó không bao giờ đưa bộ não của bệnh nhân trở về trạng thái tồn tại như trước kia.

“Hệ thống có tính dẻo, nhưng không đàn hồi,” Pascual-Leone nói với giọng sang sảng. Một sợi dây thun có thể được kéo dài, nhưng nó luôn trở lại hình dạng trước đây và các phân tử không được tái sắp xếp trong quá trình này. Còn bộ não ni-lông bị thay đổi mãi mãi bởi mọi cuộc gặp gỡ, mọi tương tác.

Vì vậy, câu hỏi trở thành, nếu bộ não dễ dàng thay đổi, làm thế nào chúng ta được bảo vệ trước sự thay đổi liên tục?Quả thực, nếu bộ não giống như Play-Doh, làm sao mà chúng ta vẫn còn là chính mình? Các gen của chúng ta mang lại cho ta sự nhất quán, trong một chừng mực nào đó, và sự lặp đi lặp lại cũng vậy.

Pascual-Leone giải thích điều này bằng một phép ẩn dụ. Bộ não ni-lông giống như một ngọn đồi tuyết vào mùa đông. Các khía cạnh của ngọn đồi đó – độ dốc, đá, tính nhất quán của tuyết – giống như gen của chúng ta, là một sự ấn định. Khi chúng ta trượt xuống đồi trên xe trượt tuyết, chúng ta có thể lái xe trượt và sẽ kết thúc ở dưới chân đồi núi bằng cách chạy theo một con đường được quyết định bởi cách ta lái xe và đặc điểm của ngọn đồi. Địa điểm chính xác mà chúng ta sẽ đáp thì khó dự đoán bởi vì có rất nhiều yếu tố tham gia.

“Nhưng,” Pascual-Leone nói, “Điều chắc chắn sẽ xảy ra khi bạn xuống dốc lần thứ hai là khả năng cao bạn sẽ thấy mình ở chỗ nào đó gần gần với con đường mà bạn đã đi ở lần đầu tiên. Nó sẽ không chính xác là con đường đó, nhưng nó sẽ là gần với con đường đó hơn bất kỳ con đường nào khác. Và nếu bạn dành cả buổi chiều để trượt xuống, đi lên, trượt xuống, cuối cùng bạn sẽ có một số con đường được đi rất nhiều lần, và một số con đường được đi rất ít… và sẽ có những con đường mòn mà bạn đã tạo ra, và bạn rất khó mà thoát ra khỏi những con đường mòn đó. Và những con đường mòn đó không phải do yếu tố di truyền quy định.”