NGƯỜI PHỎNG VẤN: Để nghe được, chúng ta cần nhiều thứ hơn là chỉ có lỗ tai.
GIÁO SƯ: Những nghiên cứu gần đây về loài cú đã phát hiện ra những sự kiện mới đầy ngạc nhiên về tai người và hệ thống âm thanh nổi đáng lưu ý được lắp đặt bên trong đầu chúng ta..
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Một nhóm nghiên cứu tại viện công nghệ California đã tìm hiểu rất nhiều về thính giác của con người, bằng cách nghiên cứu hệ thống thính giác của một loài cú có tên khoa học là Tyto alba [TY-toh AL-bah]. Các phát hiện của họ được đăng trên ấn bản đặc biệt của tạp chí Khoa học Hoa Kỳ tháng Mười một, năm 2006 với tiêu đề “Bí Mật Các Giác Quan.” Hôm nay chúng ta hãy cùng thảo luận về bài báo có tiêu đề “Nghe Bằng Hai Tai.”
GIÁO SƯ: Nhà khoa học đứng đầu nhóm nghiên cứu, tiến sĩ Masakazu Konishi [mah-sah-KAH-zoo koh-NEE-shee] báo cáo rằng đầu tiên trí tò mò của ông bị khuấy động khi ông nghe một nhà sinh học báo cáo về khả năng bắt chuột trong bóng đêm của cú chính xác như thế nào, dù chúng chỉ sử dụng thính giác. Ông quyết định quan sát cú trong bóng đêm dày đặc, sử dụng một máy quay phim hồng ngoại độ nhạy cao. Ông viết: “Tôi bị ấn tượng bởi tốc độ và độ chính xác khi chúng xoay đầu về hướng âm thanh phát ra. Tôi kết luận rằng phản xạ xoay đầu có thể giúp khám phá ra liệu loài động vật này có kết hợp âm thanh của hai tai để xác định vị trí nguồn âm thanh hay không. Nếu đúng là như vậy, những nghiên cứu về não có thể làm sáng tỏ sự kết hợp đó đã diễn ra như thế nào.”
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Khi ông ấy nói về “sự kết hợp âm thanh của hai tai,” tôi cho rằng ý ông ấy là sự hòa trộn âm thanh từ hai tai.
GIÁO SƯ: Đúng vậy. Để kiểm nghiệm ý tưởng đó, các thí nghiệm đầu tiên của họ liên quan đến những việc tương đối đơn giản như bịt kín một tai của một con dơi để xem việc đó ảnh hưởng như thế nào đến khả năng định vị vật thể của chúng. Sau khi nghiên cứu có nhiều tiến triển, họ phát triển nhiều kỹ thuật phức tạp hơn, như là cài các điện cực vào vùng não thính giác trong hệ thần kinh của dơi, gây tê các tế bào thần kinh riêng biệt, và thậm chí là lắp đặt các tai nghe tí hon vào ống tai của chúng. Họ thay đổi độ lớn tín hiệu truyền đến tai dơi, cũng như thay đổi thời gian phát tín hiệu.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Họ đã nghiên cứu được gì?
GIÁO SƯ: Họ đã khám phá ra rằng loài cú có những bộ phận chuyên biệt phức tạp giúp chúng nhận biết dữ liệu được truyền đến từ tai. Có những thành phần nhất định trong hệ thống đó tập trung vào việc nhận biết và so sánh tín hiệu thu được ở tai này mạnh hơn bao nhiêu so với tai kia. Những thành phần chuyên biệt khác chỉ nhận biết những khác biệt trong độ dài âm thanh. Theo lời của tiến sĩ Konishi: “Bộ não hoạt động như một hệ thống máy tính song song, xử lý thông tin về trường độ và cường độ nhờ những mạch riêng biệt.”
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Trong cuốn sách chúng ta thảo luận tuần trước, Điều DarwinKhông Biết, cũng có một chương về thính giác. Bác sĩ y khoa Geoffrey Simmons viết: “Tai của chúng ta được thiết kế để bắt được một băng tần sóng âm thanh rộng, biến đổi chúng thành hàng triệu xung điện riêng rẽ, và truyền chúng đến não để được phân tích kỹ càng và nhanh chóng.”
GIÁO SƯ: Các xung điện đó là không thể thiếu đối với thính giác. Mặc dù tai chúng ta thu nhận âm thanh, nó không thể “nghe” khác hơn một chiếc mi-crô thu nhận giọng nói của người dẫn chương trình. Âm thanh thực chất được nghe bởi các thùy thính giác trên não và sau đó được tạo cảm giác như các âm thanh đó đến từ một điểm nào đó bên ngoài cơ thể chúng ta. Có hai tai – mỗi bên một tai – giúp chúng ta xác định được vị trí của âm thanh.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Vận tốc âm thanh là khoảng 300 mét trên giây, và khoảng cách giữa hai tai của chúng ta chỉ là vài xen-ti-mét. Như vậy thời gian âm thanh đến tai trái so với khi đến tai phải có khác biệt nhau nhiều không?
GIÁO SƯ: Có thể là 20 phần triệu giây. Nhưng não đủ chính xác để nhận ra độ trễ rất nhỏ đó, giống như nói lên rằng: “A! âm thanh này đến từ phía tay phải!”
Tiến sĩ Simmons tiếp: “Một vài phản xạ của chúng ta là vô điều kiện. Tiếng một chiếc xe thắng gấp sẽ kích hoạt phản xạ adrenalin; một tiếng súng nổ có thể khiến chúng ta nằm xuống đất. Nếu có người hét lên ‘cháy’ trong một rạp chiếu phim, anh sẽ đứng dậy ngay và tìm lối thoát hiểm trước khi anh kịp nhận thức.”
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Hình dạng bên ngoài của tai chúng ta làm tôi nghĩ đến chảo vệ tinh. Giống như một an-ten định vị, chúng rất nhạy bén trong một số hướng. Nhờ vậy chúng ta có thể xoay đầu về hướng một cuộc nói chuyện trong một nhà hàng ồn ào để nghe tốt hơn, giảm thiểu âm thanh từ các bàn khác.
GIÁO SƯ: Đó là một lối so sánh rất tốt. Và, giống như một chảo vệ tinh xoay,chúng ta vô thức xoay đầu để thu nhận âm thanh được tốt nhất. Một người bị nặng tai sẽ khum bàn tay lại phía sau tai để nghe được đầy đủ hơn và tập trung vào âm thanh đó.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Khi thảo luận về mắt trong chương trình trước, chúng ta đã đề cập đến việc mắt được xương sọ bảo vệ tốt như thế nào. Xương sọ cũng bảo vệ các bộ phận mỏng manh nhất trong bộ máy thính giáccủa chúng ta.
GIÁO SƯ: Đúng như vậy. Quá trình nghe bắt đầu khi các rung động âm thanh đến trống tai, hay còn gọi là màng nhĩ. Màng nhĩ truyền các rung động này đến ba chiếc xương nhỏ bên trong tai – gồm xương búa, xương đe, và xương bàn đạp – và các xương này tiếp tục truyền các rung động đến một cơ quan chứa đầy dung dịch nhầy gọi là ốc tai.
Các rung động đó gây ra các gợn sóng trong dung dịch ốc tai, khuấy động các tế bào lông. Mỗi tai có khoảng 35.000 tế bào lông trong và 20.000 tế bào lông ngoài. Mỗi tế bào này có từ 50 đến 100 lông mao. Các thông tin chúng thu nhận được sẽ chuyển thành các xung điện và được truyền qua dây thần kinh thính giác được cấu tạo bởi hàng nghìn dây thần kinh kết hợp để đi đến não.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Nếu tôi nhớ chính xác về môn giải phẫu học và sinh lý học thì chẳng phải ốc tai nhỏ đến nỗi chúng ta có thể xếp vài cơ quan như vậy vào chỉ trong một dòng chữ in sao?
GIÁO SƯ: Đúng vậy. Nói về kích thước, hai nhà nghiên cứu đã thiết kế một “vi xử lý con cú” có khả năng tái tạo các bước một con cú thực hiện để đo sự sai lệch về thời gian. Mẫu vi xử lý này có kích cỡ khoảng 73 mi-li-mét vuông, chứa chỉ 64 dây thần kinh thính giác trong mỗi tai, ít hơn rất nhiều so với cơ quan thính giác của loài cú. Nó chứa khoảng 20.000 thiết bị trì hoãn tín hiệu và 200.000 bóng bán dẫn.
Konishi đưa ra đánh giá quan trọng này: “Thậm chí trong phiên bản thu gọn, hệ thống thần kinh điện tử này vẫn chiếm nhiều không gian và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn hệ thống sinh học.”
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Như vậy các chuyên gia nghiên cứu cố gắng chế tạo một thiết bị tái tạo lại cấu trúc thính giác của loài cú.
GIÁO SƯ: Đúng vậy. Thành quả tốt nhất của họ chỉ là một mảng nhỏ của những gì thực sự tồn tại trong tự nhiên – nhưng lại chiếm nhiều không gian và có mức hiệu quả năng lượng kém hơn.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Một vài điểm phức tạp trong hệ thống thần kinh thính giác là gì?
GIÁO SƯ: Các nhà nghiên cứu dùng từ thuật toán để mô tả các hoạt động trong não cú. Các nhà toán học định nghĩa thuật toán là một giao thức từng bước một hay phương pháp giải quyết một vấn đề. Tiến sĩ Konishi nói: “Một thuật toán khác về hệ thần kinh cho các tác vụ giác quan đã được giải mã theo các chi tiết tương đương là thuật toán gặp ở loài cá phát điện thuộc chi Eigenmannia [eye-gen-MAN-ee-uh].” So sánh với cách loài dơi định hướng trong không khí bằng cách phát ra các sóng âm thanh và nhận dạng các sóng này khi chúng phản hồi lại từ các vật thể khác nhau, loài cá này định hướng bằng cách phát ra các xung điện.
Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra các quy luật mà các cá thể thuộc loài này sử dụng để xác định liệu các sóng điện của chúng có tần số cao hơn hay thấp hơn các con cá khác thuộc cùng loài trong môi trường xung quanh. Loài cá này dựa vào các chuỗi phản ứng hóa sinh song song để xử lý các thông tin giác quan độc lập. Chúng xử lý các thông tin này theo các bước, và rồi các thông tin đã được xử lý được tổng hợp ở một trạm cao cấp hơn trong hệ thần kinh.
Cuối cùng, các tế bào thần kinh ở trung tâm xử lý cao nhất đáp ứng có chọn lọc với những tổ hợp dấu hiệu chính xác.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Với tất cả những thông tin mới này, tiến sĩ Konishi có nghĩ rằng ông ấy đã hiểu hết về thính giác chưa?
GIÁO SƯ: Không. Ông ấy nói: “Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của tôi về bộ não cú chưa hề kết thúc. Ngoài việc lấp đầy các khoảng trống tri thức về sự kết hợp âm thanh từ hai tai, chúng tôi hy vọng có thể bắt đầu xử lý các vấn đề khác. Chẳng hạn như, một nhà nghiên cứu gợi ý rằng não người xử lý các âm thanh ngôn ngữ tách biệt với các âm thanh không thuộc ngôn ngữ. Vì vậy, chúng ta có thể đặt câu hỏi liệu loài cú có xử lý các tín hiệu về định vị âm thanh và thông tin thính giác thông thường một cách riêng biệt hay không. Một vài vùng não tham gia vào việc định hướng không gian có thể cũng tham gia vào các hoạt động cảm giác khác, như là khiến cú chú tâm có chọn lọc về tiếng kêu của đồng loại và gà con.”
Sau đó ông đặt câu hỏi: “Làm thế nào mà loài cú, chỉ sử dụng một nhóm tế bào, có thể phân loại các thuật toán cho các tác vụ cảm giác khác nhau? Bằng cách giải đáp những bí ẩn về loài cú đó, chúng ta nên bắt đầu trả lời một vài câu hỏi quan trọng liên quan đến những bộ não phức tạp hơn, và có lẽ là liên quan đến tất cả các bộ não.” Ông đoán là cách não cú thực hiện việc kết hợp âm thanh từ hai tai về cơ bản là giống như cách não người làm việc, mặc dù một vài trạm xử lý có thể khác nhau.
NGƯỜI PHỎNG VẤN: Khi chúng ta thảo luận về những cấu trúc tinh xảo trong cơ thể động vật và con người, tôi nhớ về một câu thuộc sách Thi Thiên trong Kinh Thánh mà tôi đọc sáng nay. Người viết nói với Đức Chúa Trời: “Tôi cảm tạ Chúa vì tôi được dựng nên cách đáng sợ lạ lùng. Công việc Chúa thật lạ lung, lòng tôi biết rõ lắm.” (Thi Thiên 139:14).
| 