Loài quạ có tốc độ xử lý thông tin thị giác nhanh gấp đôi loài có vú

Tốc độ xử lý đáng kinh ngạc

Phần lớn những gì chúng ta biết về cách não bộ đưa ra quyết định đều đến từ việc nghiên cứu loài khỉ quan sát các dấu chấm. Trong một bài kiểm tra được gọi là tác vụ chuyển động của các hạt ngẫu nhiên, một đám mây các đốm sáng nhấp nháy di chuyển nhẹ nhàng theo một hướng trong khi đối tượng cố gắng xác định xem chúng đang dịch chuyển theo hướng nào. Bài kiểm tra này đã chỉ ra rằng trong lớp tân vỏ não của loài linh trưởng, các tế bào thần kinh thu thập bằng chứng thị giác theo thời gian, với tần suất hoạt động tăng dần cho đến khi vượt qua một ngưỡng nhất định, lúc đó động vật sẽ đưa ra quyết định.

Nhưng bộ não của loài chim không có tân vỏ não, vì vậy không rõ chúng đưa ra các quyết định tương tự bằng cách nào.

Andreas Nieder, một nhà thần kinh học tại Đại học Tübingen cho biết: "Đây là câu hỏi lớn. Làm thế nào một bộ não loài chim được tổ chức khác biệt lại mã hóa các quyết định?"

Để tìm hiểu, Nieder và đồng nghiệp Philipp Schmidbauer đã cho hai con quạ khoang thực hiện cùng một bài kiểm tra giống như loài khỉ, đồng thời ghi lại hoạt động não bộ của chúng. Quạ đã giải quyết bài toán theo cùng một cách giống như loài linh trưởng, sử dụng cùng một logic toán học mặc dù có cấu trúc não rất khác biệt. Và chúng làm điều đó nhanh hơn gấp hai lần.

Cấu trúc não bộ hoàn toàn khác biệt

Nieder và Schmidbauer đặt hai con quạ được nuôi dưỡng từ nhỏ trước một màn hình cảm ứng hiển thị một đám mây các chấm trắng trên nền đen, với một phần trong số chúng di chuyển đồng bộ sang trái, phải, lên hoặc xuống. Nhiệm vụ của những chú chim là báo cáo hướng tổng thể bằng cách mổ vào một trong các mục tiêu nằm ở hai bên màn hình. Những câu trả lời đúng sẽ nhận được phần thưởng là sâu gạo.

Nieder chia sẻ: "Chúng tôi chủ đích muốn thực hiện chính xác cùng một bài kiểm tra chuyển động hạt ngẫu nhiên đó. Sự khác biệt duy nhất là quạ phải mổ để biểu thị quyết định của mình, trong khi loài khỉ biểu thị bằng cách cử động mắt."

Các nhà nghiên cứu thay đổi số lượng các chấm di chuyển cùng nhau, dao động từ 81% số chấm di chuyển đồng bộ, điều này cực kỳ dễ xác định, xuống còn 3% vốn khó có thể phân biệt được với tiếng ồn. Họ cũng đưa ra điều kiện 0%, trong đó không có câu trả lời đúng.

Cả hai chú chim đều đạt kết quả cao hơn mức ngẫu nhiên, ngay cả khi chỉ có 3% số chấm di chuyển.

Trong khi quạ làm nhiệm vụ, nhóm nghiên cứu đã ghi lại hoạt động từ 248 tế bào thần kinh ở vùng NCL (nidopallium caudolaterale) - một khu vực nằm ở đỉnh của hệ thống xử lý ở loài chim, được coi là đối tác chức năng tương đương với vùng vỏ não trước trán của loài linh trưởng, mặc dù được cấu trúc khác nhau.

Chim và động vật có vú đã rẽ nhánh tiến hóa từ hơn 360 triệu năm trước, và não bộ của loài chim đã tiến hóa theo một kiến trúc khác. Vỏ não của động vật có vú được sắp xếp thành các lớp tế bào xếp chồng lên nhau, trong khi mô tương đương ở loài chim lại được tổ chức thành các cụm dày đặc, hoàn toàn không có lớp. Nghiên cứu của Nieder cho thấy kiến trúc thay thế này hóa ra lại nhanh hơn.

Tính từ khoảnh khắc các dấu chấm xuất hiện cho đến khoảnh khắc đầu của chú chim bắt đầu quay để mổ vào nút, quạ đạt mức trung bình 235 mili-giây. Trong các phiên bản bài kiểm tra tương đương, loài khỉ mất khoảng 410, 490 và 600 mili-giây qua ba nghiên cứu. Câu hỏi hiển nhiên là liệu loài chim có đơn giản hy sinh độ chính xác để đổi lấy tốc độ hay không, nhưng hóa ra chúng không làm vậy.

Đi tìm sự tối ưu

Nieder cho biết: "Đó sẽ là một lời giải thích đơn giản rằng chúng rất nhanh nhưng đánh đổi bằng độ chính xác. Nhưng điều đó không hề xảy ra." Quạ đạt kết quả tốt ngang ngửa loài khỉ hoặc con người trong cùng một bài kiểm tra.

Nieder giải thích: "Chúng tôi chưa bao giờ ép quạ phải nhanh nhất có thể. Chúng tôi chỉ giao cho chúng một quyết định tự do về thời gian. Ngay cả trong tình huống đó, chúng vẫn nhanh gấp đôi bất kỳ con khỉ hoặc con người nào mà tôi biết."

Một lý do có thể dẫn đến tốc độ của loài quạ là bộ não của chúng hoạt động theo một thời hạn cố định, và dữ liệu ban đầu dường như ủng hộ điều đó. Ở loài linh trưởng, độ khó có ảnh hưởng lớn đến thời gian đưa ra quyết định. Ở loài quạ, thời gian phản ứng dao động từ 220 mili-giây ở bài kiểm tra dễ nhất đến chỉ 254 mili-giây ở bài khó nhất, sự chênh lệch chỉ vỏn vẹn 34 mili-giây. Nhưng Nieder không cho rằng điều này có nghĩa là bộ não của loài chim chỉ được lập trình để đưa ra câu trả lời theo đồng hồ hẹn giờ.

Nieder nói: "Nếu bạn phóng to, có sự gia tăng về mặt thống kê trong thời gian phản ứng khi độ đồng bộ giảm xuống. Chúng thể hiện hiệu ứng tương tự như động vật có vú. Chỉ là nó ít rõ ràng hơn nhiều, bởi vì mọi thứ diễn ra nhanh hơn rất nhiều."

Ông giải thích rằng không có đường tắt nào cả, vì quạ phải nhìn vào hướng di chuyển của các dấu chấm và xử lý thông tin này - chúng không có bất kỳ tín hiệu nào khác. Nieder cho biết: "Đó là lý do tại sao tôi nghĩ chúng thực sự tích lũy bằng chứng. Chúng buộc phải làm vậy."

Quá trình tích lũy bằng chứng

Các bản ghi lại hoạt động thần kinh cho thấy quá trình tích lũy bằng chứng diễn ra trong thực tế. Gần một phần tư các tế bào thần kinh được lấy mẫu, cụ thể là 58 trên 248 tế bào, đã kích hoạt tín hiệu khác nhau tùy thuộc vào hướng mà chú chim cuối cùng sẽ chọn, và những tế bào thần kinh này bắt đầu ghi nhận quyết định đó cực kỳ sớm - khoảng 70 mili-giây sau khi các dấu chấm xuất hiện và khoảng 170 mili-giây trước khi đầu của chú chim cử động. Nieder cho biết: "Các tế bào thần kinh đang tích lũy bằng chứng cảm giác, rất giống với những gì tế bào thần kinh của loài khỉ làm trong vùng tân vỏ não."

Loại tín hiệu này trong não được gọi là biến quyết định, một tổng hợp liên tục các bằng chứng có thể tăng dần cho đến khi đưa ra cam kết hành động. Nieder nói: "Hóa ra những gì chúng ta tìm thấy trong bộ não quạ trông cơ bản là giống nhau. Và điều đó rất thú vị khi xem xét bộ não của chúng đã tiến hóa rất khác biệt, giống như thể tiến hóa đã tìm ra cùng một cơ chế sinh lý hai lần một cách độc lập."

Cho đến nay, nhóm nghiên cứu vẫn chưa thể quy kết tốc độ của loài quạ cho bất kỳ quá trình siêu nhanh đơn lẻ nào. Giả thuyết hàng đầu của Nieder là hầu như mọi quá trình sinh học đều diễn ra nhanh hơn ở loài chim so với động vật có vú.

Cuộc sống tốc độ cao

Nieder giải thích: "Chúng ta không thực sự chỉ ra được một quá trình cụ thể nào hoàn toàn nhanh hơn. Đó có thể là một chuỗi thác gồm nhiều quá trình khác nhau nhanh hơn." Ông cho biết chuỗi thác này bắt đầu từ thị giác, vì hệ thống thị giác của loài chim cực kỳ nhạy cảm với chuyển động. Nó tiếp tục kéo dài qua chính quyết định và mở rộng ra phản ứng vận động. Nieder lập luận rằng có khả năng có hai khía cạnh sinh lý giúp điều này trở nên khả thi.

Đầu tiên đơn giản là kích thước. Việc bay lượn áp đặt giới hạn trọng lượng nghiêm ngặt, vì vậy loài chim đóng gói một số lượng khổng lồ các tế bào thần kinh rất nhỏ vào bộ não rất nhỏ. Các sợi trục của chúng, những sợi dài giống như cáp truyền tín hiệu điện và hóa học giữa các tế bào, thì ngắn hơn.

Nieder nói: "Đường truyền dài mất thời gian. Đường truyền ngắn làm mọi thứ nhanh hơn."

Yếu tố thứ hai là nhiệt độ. Nhiệt độ cơ thể của con người vào khoảng 36,6 độ C, trong khi loài chim có thể lên tới 41 hoặc thậm chí 42 độ C. Nhiệt độ cơ thể cao hơn này làm tăng tốc tất cả các quá trình hóa học trong cơ thể loài chim.

Nieder giải thích: "Mọi kênh ion đều mở và đóng nhanh hơn. Mọi chất dẫn truyền thần kinh đều di chuyển qua khe sinap nhanh hơn. Tiến hóa thực sự đã đưa cơ thể chúng đẩy tới giới hạn. Đây là cuộc sống ở làn đường tốc độ cao, không chỉ trong não mà còn cả hệ hô hấp, hệ tim mạch - mọi thứ đều tiến về giới hạn ở loài chim."

Tuy nhiên, việc gọi loài quạ (hoặc loài chim nói chung) là những "quái vật tốc độ" đưa ra quyết định cũng đi kèm với một số lưu ý.

Thứ nhất, nghiên cứu chỉ bao gồm hai con chim, một mẫu khá nhỏ. Nieder cho biết: "Một mặt, đó là một ràng buộc hợp lý. Mặt khác, khi bạn nhìn vào các nghiên cứu về loài khỉ, đó là số lượng động vật tiêu chuẩn mà chúng ta có cho các loại nghiên cứu cực kỳ phức tạp này, kết hợp giữa hành vi và điện sinh lý học."

Ngoài ra, thời gian ra quyết định là 235 mili-giây ở loài quạ và trên 400 mili-giây ở loài linh trưởng không phải là một giới hạn tuyệt đối. Những khoảng thời gian này áp dụng cho tác vụ chuyển động chấm ngẫu nhiên, vốn bản chất đòi hỏi phải chờ đợi để xem mọi thứ đang trôi theo hướng nào.

Cuối cùng, có thể sẽ khó để tìm hiểu xem kết quả này có mở rộng ra ngoài họ quạ hay không. Nieder chia sẻ rằng vấn đề với nhiều loài chim khác là chúng không thông minh bằng họ quạ, và bạn cần một chú chim thông minh để huấn luyện nó thực hiện chính xác bài kiểm tra này.