HD-DOT là gì? Lập bản đồ chức năng não khi xem phim tự nhiên

Trong nhiều thập kỷ, các thí nghiệm thần kinh học thường dùng kích thích “tinh lọc” như hình bàn cờ nhấp nháy hoặc câu đơn lẻ để đo phản ứng của não. Cách làm này giúp kiểm soát biến số, nhưng lại khác xa đời sống thật. Vì vậy, xu hướng “naturalistic viewing” (xem phim/chuỗi cảnh phim như cách ta xem tự nhiên) ngày càng được ưa chuộng: kích thích giàu ngữ cảnh, đa giác quan, thu hút người tham gia và gần với xử lý thông tin ngoài đời.

Nghiên cứu của Fishell và cộng sự (Scientific Reports, 2019) đưa ra một bước tiến quan trọng: kết hợp xem phim tự nhiên với High-Density Diffuse Optical Tomography (HD-DOT) để lập bản đồ hoạt động vỏ não trên diện rộng. Điểm cốt lõi là HD-DOT có thể đo các đáp ứng phân bố không gian rộng và tái lập được, đồng thời cho phép “tách lớp” các thành phần kích thích (hình ảnh, chuyển động, âm thanh, lời nói) để hiểu não đang xử lý gì.

HD-DOT là gì và khác fNIRS “thưa” như thế nào?

HD-DOT là phiên bản “mật độ cao” của chụp ảnh thần kinh quang học, cùng họ với fNIRS. Thay vì chỉ có vài kênh đo rải rác, hệ thống HD-DOT dùng mạng lưới nguồn–đầu thu dày đặc để tạo bản đồ hemodynamic (huyết động) có độ phân giải không gian tốt hơn và trường quan sát rộng hơn so với fNIRS truyền thống. Trong nghiên cứu này, hệ thống gồm 96 nguồn LED và 92 detector, thu ở 2 bước sóng 750/850 nm, tạo ra hơn 1.200 phép đo mỗi bước sóng, rồi tái dựng thành “video voxel” phản ánh biến thiên hemoglobin trong não.

Thiết kế thí nghiệm: xem phim như đời thật, nhưng phân tích như khoa học “chuẩn”

Người tham gia (người trưởng thành khỏe mạnh) được đội mũ HD-DOT và xem 30 phút trích đoạn phim “The Good, the Bad and the Ugly”. Mỗi phiên xem lặp lại để kiểm tra tính tái lập.

Sau khi tái dựng tín hiệu, nhóm nghiên cứu làm 2 hướng phân tích chính:

(1) Đồng bộ trong cá nhân và giữa các cá nhân (intra/inter-subject synchronization):
Nếu một người xem cùng đoạn phim 2 lần, não có “chạy lại” một mẫu phản ứng tương tự không? Và nếu nhiều người cùng xem, các vùng não có đồng bộ theo dòng phim không? Kết quả cho thấy đáp ứng vỏ não đồng bộ rõ rệt, nổi bật ở các vùng liên quan đến thị giác và thính giác. Khi so sánh giữa các đoạn phim khác nhau (mismatch), mức đồng bộ giảm mạnh — củng cố rằng đồng bộ xuất phát từ việc xử lý cùng một kích thích, không phải ngẫu nhiên.

(2) Phân rã theo đặc trưng kích thích (feature-based mapping):
Chỉ đo “đồng bộ” chưa đủ để biết não đang phản hồi với yếu tố nào. Do đó, nhóm nghiên cứu trích xuất đặc trưng từ phim:

Thị giác: độ sáng (luminance), chuyển động (optical flow), và các đặc trưng mã hóa thủ công như khuôn mặt, cơ thể, bàn tay.

Thính giác: phong bì âm thanh (audio envelope) và sự xuất hiện lời nói (speech).

Sau đó, họ đối chiếu chuỗi thời gian đặc trưng với tín hiệu oxyhemoglobin để tạo bản đồ vùng não “ăn theo” từng đặc trưng. Ví dụ, đáp ứng với audio envelope mạnh ở vùng thái dương trên (STG) hai bên; còn speech cho thấy mô hình thiên trái hơn và liên quan các vùng xử lý ngôn ngữ.

Ý nghĩa: mở đường cho nghiên cứu não “thật” hơn và ứng dụng cho nhóm đặc biệt

Kết quả quan trọng nhất là: HD-DOT đủ nhạy để bắt được đáp ứng vỏ não trong bối cảnh tự nhiên, tái lập được giữa lần xem và giữa người xem; đồng thời việc tách đặc trưng giúp biến một bộ phim phức tạp thành các “kênh thông tin” có thể lập bản đồ chức năng.

Điều này đặc biệt hứa hẹn cho các đối tượng khó làm bài nhiệm vụ lặp lại như trẻ em, người khó hợp tác, hoặc các bối cảnh cần sự “tự nhiên” hơn (tương tác xã hội, học tập, ngôn ngữ đời thường). Thay vì ép não vào một bài test đơn giản, ta đưa não vào môi trường gần đời thật — rồi dùng phân tích dữ liệu để hiểu cách não vận hành.

Nguồn

DOI: 10.1016/j.neuron.2024.10.005