Xoay (Vật Thể) Trong Tâm Trí: Bộ Não Định Hình Vật Thể Như Thế Nào?

1. Khái niệm cơ bản
Xoay (vật thể) trong tâm trí là một bài tập tưởng tượng đòi hỏi người tham gia xoay chuyển một kích thích hình ảnh sang một phương hướng khác với phương hướng mà hình ảnh được chiếu cho họ [1]. Khả năng định dạng và xoay chuyển vật thể/hình ảnh trong tâm trí giúp con người so sánh diện tích của hai hình đa giác khác nhau trong hình học [3] hoặc hình dung được phương hướng qua việc hình dung ra môi trường xung quanh [2]. Các nghiên cứu đã tìm hiểu sự vận hành quá trình này qua kích thích từ xuyên sọ [4]. Phương pháp này làm gián đoạn hoạt động thần kinh liên tục ở một vùng não để tìm ra thời điểm xảy ra hoạt động thần kinh ở khu vực đó. Kích thích từ xuyên sọ (transcranial magnetic stimulation - TMS) được thực hiện qua việc áp một lõi kim loại hình số tám lên trên một vùng não bộ nhất định (xem hình 1) giúp tạo nên nhiều xung điện nhắm chính xác vào hoạt động của vùng đó.

Xoay (vật thể) trong tâm trí được tìm hiểu lần đầu khi một nghiên cứu yêu cầu người tham gia xác định sự tương đương giữa các cặp hình khối ba chiều, có nhiều cạnh, có tên là khối Shepard (xem hình 2) [5]. Có hai loại cặp khối Shepard, một loại cặp mà hai khối có thể xoay được để nhìn tương đồng nhau, và một loại cặp mà hai khối không thể xoay được để trở nên tương đồng nhau. Nghiên cứu thấy rằng thời gian phản xạ tăng tuyến tính với sự khác nhau về góc độ của các khối Shepard, không phân biệt đó là hai khối thuộc loại cặp nào. Khi được hỏi về phương pháp họ dùng, những người tham gia đều nhìn nhận các hình ảnh hai chiều thành các vật thể trong không gian ba chiều để xoay chuyển chúng ở mọi trục tọa độ có thể. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng xoay (vật thể) trong tâm trí là một quá trình tâm trí đòi hỏi hoạt động của quá trình nhận thức.

2. Các giả thuyết và kết quả nghiên cứu

Vỏ não vận động chính (M1) được kích thích bởi quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí [4]. Một nghiên cứu đã sử dụng kích thích từ xuyên sọ với xung điện đơn vào vùng M1 để xác định xung điện được kích thích bằng cử động (Motor evoked potentials - MEPs) của vùng này, dùng để chỉ xung điện thần kinh của vùng này trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí [4]. Người tham gia hoàn thành một bài tập xoay (vật thể) trong tâm trí qua việc đánh giá hai hình ảnh của hai khối Shepard là giống nhau hoặc là hình phản chiếu trong hai thực nghiệm. Thực nghiệm yêu cầu họ phải xoay hình ảnh trong tâm trí, ngoài các bài tập đọc lớn và các bài tập đọc thầm. Do cả hai loại bài tập đọc sử dụng vùng M1, nghiên cứu này so sánh ba bài tập để nghiên cứu xem rằng vùng M1 có thật sự tham gia trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí hay không. Kết quả cho thấy rằng khi khối Shepard được xoay trong tâm trí thì tạo ra xung điện được kích thích bằng cử động ở vùng M1 cao hơn là bài tập đọc lớn hoặc đọc thầm. Tuy rằng vùng M1 đều được kích hoạt ở mỗi bài tập, chúng ta vẫn chưa rõ vì sao sự tham gia của vùng M1 lại đặc biệt hơn trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí so với việc đọc lớn hoặc đọc thầm.

Ngoài ra, vùng M1 cũng góp phần điều khiển sự xoay trong tâm trí của bàn tay, tuy vậy, mức độ tham gia của vùng này vẫn còn chưa cụ thể [6]. Qua việc sử dụng kích thích từ xuyên sọ với xung điện đơn, một nghiên cứu khác đã tìm ra rằng kích thích từ xuyên sọ làm suy yếu quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí của bàn tay nhiều hơn là của bàn chân, qua đó chứng minh rằng vùng M1 điều khiển hoạt động của tay nhiều hơn chân [6]. Tuy nhiên, nghiên cứu này yêu cầu người tham gia sử dụng bàn chân để hoàn thành các phản ứng cử động, góp phần can thiệp vào sự suy yếu do kích thích từ xuyên sọ ở vùng M1 và dẫn đến tác động lớn hơn của kích thích từ xuyên sọ ở các giai đoạn sau đó. Ngược lại, một nghiên cứu khác không hề thấy sự gián đoạn hoạt động của não bộ ở vùng M1 do kích thích từ xuyên sọ với xung điện đơn khi người tham gia được yêu cầu đánh giá độ trễ trong phản ứng của các kích thích ở tay [7]. Bởi vì người tham gia trả lời bằng lời nói, các xung điện kích thích từ xuyên sọ tác động đến hoạt động của vùng M1 điều khiển cử động thanh quản thay vì vùng điều khiển cử động bàn tay. Điều này cho thấy rằng sự liên quan của vùng M1 trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí của bàn tay cần được nghiên cứu thêm để giải mã được sự gián đoạn gây ra bởi phản xạ của hoạt động bàn chân và hoạt động nói.

Vai trò của vùng M1 trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí có thể phụ thuộc vào cách thức áp dụng nó trong việc xoay các kích thích hình ảnh [8]. Một nghiên cứu suy đoán rằng nhìn chung, quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí đòi hỏi chiến lược tâm trí (chỉ việc xoay (vật thể) trong tâm trí của một đồ vật bằng tay để kích thích vùng M1), hoặc là chiến lược bên ngoài (chỉ một đồ vật tự xoay chuyển bởi một lực tác động từ bên ngoài và không cần dùng đến vùng M1) [8]. Chiến lược tâm trí được áp dụng cho các kích thích đơn giản, như là bàn tay hay dụng cụ, trong khi đó các hình khối trừu tượng như nhà hay là khối Shepard thì cần dùng đến chiến lược bên ngoài. Mặc dù vậy, nghiên cứu này cũng cho thấy các xung điện kích thích từ xuyên sọ áp dụng vào vùng M1 kích thích các xung điện được kích thích bằng cử động (MEP) mạnh hơn với mọi loại vật thể được xoay trong tâm trí ngoại trừ bàn tay. Về khía cạnh chủ quan, đa số người tham gia đều báo cáo rằng họ dùng chiến lược bên ngoài cho các khối Shepard, các dụng cụ, và các hình khối 2D, ngoại trừ cho bàn tay. Mặc dù nghiên cứu này chỉ ra rằng chiến lược bên ngoài thì không cần thiết cho hoạt động của vùng M1 trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí, vai trò nhân quả của M1 trong quá trình xoay trong tâm trí của bàn tay cần được nghiên cứu kỹ hơn.

Thời gian phản ứng thấp hơn của vùng M1 khi xoay bàn tay so với xoay khối Shepard trong tâm trí có thể do sự phối hợp của các vùng não vận động khác nhau kế bên vùng M1. Cụ thể, vùng não tiền vận động (vùng số 6) và M1 được kích hoạt cho các cử động chuẩn bị của tay, gợi ý rằng vùng M1 có thể nhận các tín hiệu chờ đợi từ vùng số 6 để chuẩn bị cho xoay bàn tay [9]. Hơn nữa vùng não tiền vận động trên lưng điều hòa sự khác nhau bao quát giữa các kích thích và xử lý thông tin kết luận cho vùng M1 đáp ứng [10]. Vì nhiều vùng nào khác nhau bao gồm vùng M1 điều khiển quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí của tay, vai trò chiến lược của vùng M1 trong xoay bàn tay trong tâm trí có thể là một lối hoạt động cho xoay (vật thể) trong tâm trí.

Chúng ta cũng có thể đặt giả thuyết rằng vùng M1 không đóng góp hoàn toàn cho xoay bàn tay, điều này có thể lý giải vì sao mức độ ảnh hưởng của sự kích hoạt vùng M1 ở điều kiện bàn tay chỉ ở mức trung bình so với trong điều kiện các khối Shepard. Trong một nghiên cứu khác, chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI), một kỹ thuật dựng lại hình ảnh của não bộ đang hoạt động qua việc đo hoạt động thần kinh dựa trên nồng độ oxy trong máu não, cho thấy rằng sự xoay bàn tay trong tâm trí kích thích vùng M1, vùng 6, và vùng não vận động sau [1]. Khi mà não của người tham gia được chụp trong quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí, vùng M1 được kích hoạt đồng thời với các vùng vận động khác nhằm trợ giúp sự tưởng tượng của họ cho cách cử động tay, như theo thứ tự hay phương hướng nào. Các nghiên cứu trong tương lai nên so sánh hoạt động não bộ trong các hoạt động khác nhau liên quan đến quá trình xoay bàn tay và khối Shepard trong tâm trí qua fMRI.

3. Kết luận

Quá trình xoay các khối Shepard trong tâm trí được xác định là chậm hơn so với xoay  bàn tay trong tâm trí khi kích thích từ xuyên sọ với vùng M1. Vùng M1 có sức ảnh hưởng lớn hơn trong việc điều khiển hoạt động xoay (vật thể) trong tâm trí đối với các hình khối trừu tượng so với bàn tay. Sự kết hợp của vùng M1 trong quá trình xoay bàn tay trong tâm trí cho thấy rằng các vùng não biểu hiện sự chuyên biệt tương đối, chứ không phải tuyệt đối, cho các hoạt động cụ thể cần sự kết hợp của những vùng não khác nhau để hoàn thành hoạt động trên. Các nghiên cứu giúp hiểu rõ hơn chức năng của vùng M1 và mức độ liên quan của vùng này với những kích thích khác biệt. Điều này mở rộng hiểu biết của chúng ta về chức năng của vùng M1 trong việc giúp con người sử dụng các kỹ năng hình ảnh trong cuộc sống. Tìm hiểu về quá trình xoay (vật thể) trong tâm trí để mở ra hiểu biết mới về quá trình hoạt động thần kinh giúp chúng ta luyện tập các kỹ năng hình học như là xác định phương hướng, vẽ, và nhiều hoạt động khác.

Biên tập: Thoa Đinh

Biên dịch: Thi Bui

Minh họa: Quynh Theresa Do

Tham khảo

[1] Hamada H, Matsuzawa D, Sutoh C, Hirano Y, Chakraborty S, Ito H, Tsuji H, Obata T, Shimizu E. Comparison of brain activity between motor imagery and mental rotation of the hand tasks: a functional magnetic resonance imaging study. Brain imaging and behavior. 2018;12(6):1596.

[2] Meneghetti C, Borella E, Pazzaglia F. Mental rotation training: transfer and maintenance effects on spatial abilities. Psychological research. 2016 Jan 1;80(1):113-27.

[3] Hawes Z, Moss J, Caswell B, Poliszczuk D. Effects of mental rotation training on children’s spatial and mathematics performance: A randomized controlled study. Trends in Neuroscience and Education. 2015 Sep 1;4(3) 60-8.
[4] Eisenegger C, Herwig U, Jäncke L. The involvement of primary motor cortex in mental rotation revealed by transcranial magnetic stimulation. European Journal of Neuroscience. 2007 Feb; 25(4):1240-4.

[5] Shepard RN, Metzler J. Mental rotation of three-dimensional objects. Science. 1971 Feb 19;171(3972):701-3.

[6] Ganis G, Keenan JP, Kosslyn SM, Pascual-Leone A. Transcranial magnetic stimulation of primary motor cortex affects mental rotation. Cerebral Cortex. 2000 Feb 1;10(2):175-80.

[7] Sauner D, Bestmann S, Siebner HR, Rothwell JC. No evidence for a substantial involvement of primary motor hand area in handedness judgements: a transcranial magnetic stimulation study. European Journal of Neuroscience. 2006 Apr;23(8):2215-24.

[8] Bode S, Koeneke S, Jäncke L. Different strategies do not moderate primary motor cortex involvement in mental rotation: a TMS study. Behavioral and Brain Functions. 2007 Dec;3(1):1-9.

[9] Wraga M, Thompson WL, Alpert NM, Kosslyn SM. Implicit transfer of motor strategies in mental rotation. Brain and cognition. 2003 Jul 1;52(2):135-43.

[10] Cona G, Panozzo G, Semenza C. The role of dorsal premotor cortex in mental rotation: A transcranial magnetic stimulation study. Brain and cognition. 2017 Aug 1;116:71-8.