Trong lịch sử khoa học, nhận thức tâm trí và trí tưởng tượng thị giác (visual mental imagery) luôn là một trong những ẩn số quyến rũ nhưng khó nắm bắt nhất. Làm thế nào để định lượng và quan sát một tiến trình hoàn toàn mang tính chủ quan khi nó đang diễn ra bên trong vỏ não? Trong nhiều thập kỷ, đo thời gian tâm trí (mental chronometry) dựa trên thời gian phản ứng (Response Time - RT) đã trở thành công cụ chủ đạo. Từ các nghiên cứu kinh điển của Stephen Kosslyn về quét hình ảnh thị giác đến mô hình xoay tâm trí (mental rotation) của Roger Shepard, nguyên lý cốt lõi luôn dựa trên tính tỷ lệ thuận giữa thời gian phản ứng và khoảng cách hoặc góc cần biến đổi trong tâm trí. Tuy nhiên, thời gian phản ứng chỉ là một giá trị đơn lẻ thu được tại thời điểm kết thúc hành vi; nó hoàn toàn gián tiếp và không thể khai thác được bức tranh động học diễn tiến liên tục theo thời gian và không gian của các quá trình tư duy nội tại.
Để vượt qua hạn chế này, các nhà thần kinh nhãn khoa và khoa học nhận thức đã hướng sự chú ý đến cử động mắt tự phát (spontaneous eye movements). Hệ thống vận động nhãn cầu không chỉ phục vụ việc thu nhận tín hiệu thị giác từ bên ngoài (hướng từ dưới lên - bottom-up) mà còn bị chi phối mạnh mẽ bởi các mệnh lệnh nhận thức nội tại (hướng từ trên xuống - top-down). Trong điều kiện bóng tối hoặc khi thực hiện các bài tập tưởng tượng không gian thuần túy, vòng lặp hành động - cảm giác bị ngắt kết nối với võng mạc, cho phép cử động mắt trở thành một "cửa sổ" trực tiếp phản ánh sự vận động của vectơ chú ý và các đại lượng động học bên trong tâm trí.
Cơ sở thần kinh và sự kết cặp giữa cử động mắt với nhận thức không gian
Mối liên hệ giữa tư duy không gian và cử động mắt dựa trên nền tảng sinh lý thần kinh vững chắc. Khi chúng ta quan sát một bức tranh, chuỗi các cử động mắt nhảy (saccades) và điểm cố định thị giác (fixations) tạo thành một đường quét (scan-path) đặc trưng. Khi nhắm mắt hoặc nhìn vào không gian trống để nhớ lại bức tranh đó, các saccade tự phát tái tạo lại một cách kỳ diệu chính cấu trúc không gian của đường quét ban đầu. Điều này khẳng định có sự tương đương chức năng (functional equivalence) giữa quá trình tri giác thị giác thực tế và quá trình tưởng tượng thị giác.
Về mặt sinh lý thần kinh vận động, các nghiên cứu trên động vật linh trưởng của Georgopoulos và cộng sự đã phát hiện ra rằng: trong nhiệm vụ xoay thị giác - vận động (visuo-motor mental rotation), hướng của vectơ quần thể thần kinh (neuronal population vector) tại vỏ não vận động sơ cấp không chuyển hướng đột ngột mà dịch chuyển một cách liên tục, có trình tự từ hướng của tín hiệu kích thích ban đầu sang hướng của cử động tay mục tiêu. Sự xoay liên tục của vectơ thần kinh này chính là nền tảng của quá trình biến đổi góc trong tâm trí. Khi áp dụng các nhiệm vụ định vị góc thuần túy trong không gian trống (visuo-spatial mental rotation task), các chuỗi saccades tự phát xuất hiện như một hệ quả tất yếu của quá trình dịch chuyển vectơ chú ý nội tại này.
Đặc tính động học của cử động mắt trong xoay tâm trí và hình ảnh chuyển động
Để làm sáng tỏ bản chất của các quá trình tưởng tượng động, các thực nghiệm được tiến hành nhằm so sánh hai mô hình: nhiệm vụ xoay tâm trí thị giác - không gian (nơi góc xoay được tính toán nội tại) và nhiệm vụ tưởng tượng chuyển động (motion imagery task - nơi người tham gia tưởng tượng một điểm quay với vận tốc cố định dựa trên mẫu chuyển động quan sát trước đó). Kết quả ghi nhận nhãn cầu bằng phương pháp scleral search coil và hồng ngoại nhãn đồ (infrared oculometry) với tần số lấy mẫu 500 Hz đã tiết lộ những đặc tính động học vô cùng tinh vi.
Trong nhiệm vụ xoay tâm trí không gian, mặc dù người tham gia không được yêu cầu di chuyển mắt, các saccade tự phát vẫn liên tục tái tạo lại quỹ đạo vòng cung nối từ điểm kích thích ban đầu đến vị trí mục tiêu. Quỹ đạo góc trung bình của hướng nhìn có sự tiến triểnOrdered theo thời gian, thể hiện rõ đặc tính của một quá trình biến đổi góc liên tục.
| Thông số động học | Xoay tâm trí không gian (Ước tính qua RT) | Xoay hướng nhìn thực tế (Gaze Rotation) | Ý nghĩa sinh lý thần kinh |
|---|---|---|---|
| Vận tốc góc trung bình | 238 °/s ± 40 | 56.7 °/s ± 17.4 (p < 0.001) | Cử động mắt diễn ra chậm hơn và kéo dài hơn so với ước tính lý thuyết từ RT. |
| Thời gian kéo dài quá trình | 360 ms ± 260 | 1250 ms ± 500 (p < 0.001) | Sự xoay của hướng nhìn phản ánh toàn bộ tiến trình tinh chỉnh tọa độ không gian. |
| Giản đồ vận tốc (Velocity profile) | Giả định vận tốc không đổi (Constant) | Dạng Sigmoid bất đối xứng (Asymmetrical) | Gồm 2 giai đoạn: Phóng tầm mắt ban đầu (vòng hở) và Tinh chỉnh góc chính xác (vòng kín). |
| Vận tốc đỉnh (Peak velocity) | Không phụ thuộc góc xoay | Tăng từ 75 °/s lên 220 °/s theo góc hướng dẫn (p < 0.001) | Tương tự như cơ chế vươn tay (reaching): góc xoay lớn hơn đòi hỏi vận tốc bứt phá ban đầu cao hơn. |
Phân tích hiện tượng luận và những rào cản sinh lý của hệ vận động nhãn cầu
Kết quả phân tích chuyên sâu cho thấy giản đồ vận tốc hướng nhìn trong nhiệm vụ xoay tâm trí không tuân theo mô hình vận tốc không đổi như các giả định kinh điển của Kosslyn. Thay vào đó, nó trình hiện một hàm Sigmoid bất đối xứng rõ rệt. Hiện tượng này hoàn toàn tương đồng với cơ chế điều khiển vận động hướng mục tiêu (goal-directed movements). Quá trình này bao gồm một giai đoạn tăng tốc nhanh ban đầu theo cơ chế vòng hở (open-loop) để tiếp cận nhanh vùng mục tiêu, tiếp theo là một giai đoạn giảm tốc kéo dài theo cơ chế vòng kín (closed-loop) nhằm đánh giá và phản hồi sai số góc để đạt độ chính xác tối đa. Do đó, có thể coi xoay tâm trí không gian bản chất là một hành vi "vươn tới trong tâm trí" (mental reaching).
Một phát hiện quan trọng khác là sự khác biệt bản chất giữa xoay tâm trí nội tại và tưởng tượng chuyển động được hướng dẫn. Trong bài tập tưởng tượng chuyển động với vật thể quay tốc độ cố định, nhãn cầu hoàn toàn có khả năng tái tạo một giản đồ vận tốc tuyến tính (vận tốc góc không đổi), chứng minh rằng mạng lưới thần kinh điều khiển nhãn cầu phản ánh trung thực bản chất động học của quá trình tưởng tượng nếu quy trình đó được định hình rõ ràng.
"Một cạm bẫy sinh lý thú vị của hệ thống vận động nhãn cầu là sự vắng mặt hoàn toàn của cử động bám đuổi trơn trượt (smooth pursuit) trong quá trình tưởng tượng chuyển động. Mặc dù các vùng vỏ não thị giác ngoài dải vỏ (extrastriate areas) như MT/MST – nơi xử lý dòng chảy thị giác – được kích hoạt mạnh mẽ khi tưởng tượng chuyển động, mắt người vẫn không thể khởi phát cử động trơn trượt một cách chủ động nếu không có mục tiêu di chuyển thực tế trên võng mạc. Tưởng tượng chuyển động liên tục bắt buộc phải thể hiện ra bên ngoài dưới dạng một chuỗi các bước nhảy Saccade ngắt quãng. Đây là một giới hạn cứng mang tính cấu trúc của hệ thần kinh vận động nhãn cầu."
Thông điệp mang về cho nghiên cứu và thực hành lâm sàng
- Cử động mắt tự phát là công cụ đo đạc động học tâm trí: Việc ghi hình cử động mắt tự phát cung cấp một phương pháp phi xâm lấn, có độ phân giải thời gian cao để theo dõi tiến trình biến đổi không gian - thời gian của tư duy nội tại mà thời gian phản ứng (RT) không thể hiện được.
- Bản chất hai giai đoạn của xoay tâm trí: Quá trình xoay tâm trí không gian diễn ra theo mô hình "vươn tới trong tâm trí" gồm giai đoạn phóng đại thể ban đầu và giai đoạn tinh chỉnh sai số góc ở cuối quỹ đạo, phản ánh sự phối hợp giữa điều khiển vòng hở và vòng kín.
- Sự phân tách giữa Saccade và Smooth Pursuit: Mặc dù tâm trí tưởng tượng ra một chuyển động trơn trượt liên tục, hệ thống nhãn cầu bị giới hạn sinh lý chỉ có thể giải phóng các cử động Saccade. Sự ngắt quãng này là một đặc tính cứng của mạng lưới vận động nhãn cầu Top-down.
- Ứng dụng tiềm năng trong Thần kinh Nhãn khoa: Đánh giá động học cử động mắt trong các nhiệm vụ tưởng tượng không gian mở ra hướng đi mới trong chẩn đoán sớm và theo dõi các bệnh lý thần kinh làm suy giảm chức năng nhận thức không gian hoặc lập kế hoạch vận động, như bệnh Alzheimer, hội chứng lờ đờ nửa thân (hemineglect), hoặc các trạng thái biến đổi ý thức.
Tài liệu tham khảo:
de'Sperati, C. (2003). The Inner Working of Dynamic Visuo-spatial Imagery as Revealed by Spontaneous Eye Movements. In: J. Hyönä, R. Radach, & H. Deubel (Eds.), The Mind's Eye: Cognitive and Applied Aspects of Eye Movement Research (pp. 119-142). Elsevier Science BV. ISBN: 0-444-51020-6.