Đối với con người để hiểu được lời nói và đối với động vật để biết các cuộc gọi của nhau, não phải phân biệt các âm thanh ngắn với các âm thanh dài hơn. Qua nghiên cứu các con ếch, Các nhà nghiên cứu Đại học tổng hợp Utah đã tìm ra cách các tế bào não tính toán chiều dài của các âm thanh và phát hiện các âm thanh ngắn.
goài âm sắc và độ lớn, “Thời gian kéo dài âm thanh là quan trọng phổ biến”, giáo sư sinh học Gary Rose, tác giả chính của nghiên cứu, đã công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences. “Nó quan trọng cho con người. Nó quan trọng cho tất cả các loài động vật sử dụng âm thanh để giao tiếp”.
Các nhà nghiên cứu từ lâu đã phát hiện các tế bào thần kinh khác nhau trong não “phản ứng có chọn lọc với các âm thanh có thời gian kéo dài cụ thể”, ông nói. “Nhưng cho đến bây giờ chúng ta không biết chúng tính toán độ dài của âm thanh như thế nào”.
Rose và nghiên cứu sinh khoa học thần kinh Rishi Alluri sử dụng một sự kết hợp mới ghi hoạt động điện của các tế bào não đơn và ngăn chặn bằng các hóa chất dẫn truyền thần kinh truyền các tín hiệu thần kinh từ một tế bào thần kinh đến tế bào thần kinh tiếp theo. Người ta đã biết rằng các âm thanh ngắn được phân biệt từ các âm thanh dài hơn bởi các tế bào não đơn lẻ trong củ não dưới (inferior colliculus), phần thính giác của não giữa (midbrain).
Các nhà nghiên cứu Đại học tổng hợp Utah sử dụng các con ếch da báo như hình ở đây để đo các điện áp rất nhỏ từ các tế bào não đơn để biết những tế bào này học để phát hiện các âm thanh ngắn như thế nào. Phân biệt các âm thanh ngắn với các âm thanh dài còn là điều cần thiết cho con người hiểu được lời nói của nhau và cho động vật nhận được các tiếng kêu của nhau
Các nhà nghiên cứu thấy rằng đối với một tế bào não của ếch để nhận ra một âm thanh ngắn, bị ức chế không kích hoạt một tín hiệu thần kinh trong khi âm thanh đang diễn ra, sau đó nó được kích thích kích hoạt khi âm thanh kết thúc. Đối với các âm thanh dài hơn, tế bào bị ức chế trong một thời gian dài hơn và làm mất tác dụng kích thích, do đó, tế bào không đáp ứng với các âm thanh dài hơn.
Ghi lại hoạt động của tế bào não trong khi chặn dẫn truyền thần kinh
Nghiên cứu mới kết hợp hai phương pháp: gọi là “ghi âm vá” (“patch recording” ) các điện áp rất nhỏ trong các tế bào não đơn của ếch và cách các điện áp thay đổi để đáp ứng với các âm thanh có độ dài khác nhau, và đưa vào loại thuốc ngăn chặn dẫn truyền thần kinh - một cách để tìm hiểu làm thế nào tế bào não phản ứng với âm thanh có và không có các sự dẫn truyền thần kinh bình thường.
Alluri nói: “Chúng tôi đã có thể phát triển phương pháp rất mới lạ này để đi đến một tế bào thần kinh đơn và điều khiển cách nó tính toán” bằng cách sử dụng các loại thuốc để ngăn chặn dẫn truyền thần kinh tại tế bào thần kinh đơn trong não ếch, và sau đó đo lường những gì xảy ra với tế bào thần kinh khi đáp ứng với các tiếng kêu của ếch.
“Cung cấp thuốc (đến các tế bào não) và ghi lại toàn bộ tế bào là hai phương pháp đã có”, Rose nói, “Việc kết hợp chúng với nhau là mới”.
Alluri nói: các nhà nghiên cứu đã đo hoạt động của tế bào thần kinh đơn trong củ não dưới (inferior colliculus). Những con ếch da báo đã được sử dụng trong nghiên cứu vì củ não dưới cũng có ở người và các động vật khác, “vì vậy những con ếch là một mô hình tốt”.
Ngoài ra, các tần số tiếng kêu của ếch nằm trong phạm vi nghe của người và các tần số được sử dụng cho các con ếch da báo là những tần số mà người có thể nghe thấy những âm thanh nhỏ nhất, Rose nói.
Trong nghiên cứu này, một điện cực đơn đo hoạt động trong một tế bào thần kinh ếch đơn trong khi các nhà nghiên cứu sử dụng một máy tính để tạo ra các phần khác nhau của các tiếng ếch kêu - từ một tiếng ếch kêu hoàn chỉnh đến một âm thanh ngắn đơn hoặc một âm từ tiếng kêu của ếch.
Phương pháp này có thể “ghi lại hoặc đo millivolt - phần nghìn volt - thay đổi trong tế bào”, Rose nói. “Làm điều này rất khó vì kích thước nhỏ của các tế bào thần kinh”.
Sau khi đo những thay đổi millivolt trong 58 tế bào não của ếch khi phản ứng với âm thanh, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một mô hình toán học để chuyển đổi các thông tin thành bao nhiêu tế bào não được kích thích hoặc ức chế bởi một xung âm thanh nhất định.
Các âm thanh đưa vào tạo ra các tín hiệu thần kinh hóa chất có thể kích thích một tế bào thần kinh để kích hoạt hoặc ức chế kích hoạt một tín hiệu mới.
Các nhà nghiên cứu dùng thuốc để ngăn chặn các dẫn truyền thần kinh thường gặp ở người, ếch và các động vật khác: GABA-A, có trách nhiệm chủ yếu ức chế kích hoạt các tế bào thần kinh và các thụ thể glutamate (AMPA và NMDA), tham gia chủ yếu trong kích thích kích hoạt các tế bào thần kinh.
Ví dụ, chặn bằng GABA-A - thường ức chế các tế bào thần kinh - ức chế các tế bào não của ếch bị giảm, vì vậy các tế bào phản ứng với các âm thanh với tất cả các khoảng kéo dài, không chỉ với những âm thanh ngắn.
Rose nói: “Các tế bào thần kinh của ếch - giống như ở người và các động vật khác - nhận được cùng một loại hóa chất đầu vào, nhưng để hiểu chúng làm việc cùng nhau như thế nào để cho phép các tế bào thần kinh tính chiều dài của một âm thanh là một thách thức lớn”.
Những phát hiện: các âm thanh ngắn gây ức chế, kích thích tế bào não
“Rút ra từ những nghiên cứu này cho phép chúng tôi đưa ra các mối quan hệ thời gian giữa kích thích và ức chế (của các tế bào não) rất quan trọng cho việc tính toán “một âm thanh kéo dài bao lâu, Rose nói.
Đặc biệt, các thí nghiệm cho thấy, khi một tế bào não phản ứng với một âm thanh ngắn, đầu tiên tế bào bị ức chế kích hoạt cho đến khi âm thanh kéo dài - một khám phá mới - và sau đó bị kích thích để có thể kích hoạt. Có một sự trùng lặp tối thiểu giữa thời gian tế bào thần kinh bị ức chế và kích thích, do đó, được gọi là cơ chế anticoincidence - kháng trùng hợp ngẫu nhiên”.
Đối với các âm thanh dài, tế bào não được kích thích cùng khoảng thời gian như đối với âm thanh ngắn hơn. Nhưng đầu tiên tế bào thần kinh vẫn ức chế trong một thời gian lâu hơn, và thời gian này trùng với thời gian các tế bào được kích thích, nó có tác dụng ức chế các tín hiệu phát ra bởi tế bào não. Vì vậy, tế bào không đáp ứng với các âm thanh dài hơn.
Nói cách khác, nếu một âm thanh ngắn hay dài, thì tế bào não được kích thích cùng một khoảng thời gian. Nhưng tín hiệu ức chế kích thích ngắn hơn đối với cho âm thanh ngắn và dài hơn đối với âm thanh dài. Sự ức chế lâu hơn cho âm thanh dài hơn còn hủy nhiều tín hiệu kích thích để các tế bào não có thể phân biệt được các âm thanh ngắn từ các âm thanh dài hơn.
Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện các tế bào thần kinh phát hiện các âm thanh ngắn, khả năng đó được khuếch đại bởi các đặc tính điện của các kênh ion của màng tế bào của dây thần kinh, cho phép nhập và xuất các hóa chất được đưa vào.