Cảm giác là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và Bản chất tâm sinh lý của cảm giác

Cảm giác là quá trình tâm sinh lý tiếp nhận và chuyển đổi các dạng năng lượng kích thích từ môi trường bên ngoài hoặc môi trường nội mô bên trong cơ thể thành các xung động thần kinh, cung cấp các thuộc tính cảm tính riêng lẻ của sự vật và hiện tượng làm nền tảng cho tri giác. Trong thang bậc của hoạt động nhận thức, cảm giác đại diện cho mức độ nhận thức cảm tính sơ cấp nhất, thiết lập mối liên kết trực tiếp giữa cơ thể sinh vật và thế giới vật chất. Không có cảm giác, hệ thần kinh trung ương sẽ rơi vào trạng thái cô lập cảm giác, dẫn đến sự suy thoái nhanh chóng của các chức năng tư duy, cảm xúc và điều hòa hành vi.

Về mặt bản chất tâm lý học, cảm giác chỉ phản ánh từng thuộc tính bề ngoài riêng lẻ của đối tượng, chẳng hạn như màu sắc của ánh sáng, cao độ của âm thanh, mùi vị của thức ăn hay áp lực tiếp xúc trên bề mặt da. Điều này tạo nên sự phân biệt cốt lõi giữa cảm giác và tri giác: trong khi cảm giác là quá trình phân tích tín hiệu sơ cấp từ các thụ thể riêng rẽ, thì tri giác là quá trình tổng hợp phức tạp, phối hợp các dòng tín hiệu cảm giác với kinh nghiệm quá khứ, ngữ cảnh và sự chú ý để hình thành nên một hình ảnh trọn vẹn, mang ý nghĩa cụ thể về sự vật hiện tượng. Tuy nhiên, sự phân tách này mang tính chất lý thuyết trong nghiên cứu; trên thực tế lâm sàng và sinh học thần kinh, cảm giác và tri giác luôn đan xen liên tục trong một chuỗi xử lý thông tin thống nhất.

Quy luật tâm vật lý học và Sự mã hóa độ lớn kích thích

Tâm vật lý học (psychophysics) là phân ngành khoa học nghiên cứu định lượng mối quan hệ giữa các đặc tính vật lý của kích thích và cường độ cảm giác chủ quan mà con người trải nghiệm. Một trong những thành tựu nền tảng của tâm vật lý học thế kỷ hai mươi là định luật hàm mũ do nhà tâm lý học Stanley Smith Stevens đề xuất vào năm 1957 trên tạp chí Psychological Review. Trước đó, định luật Fechner cho rằng cảm giác tăng theo hàm số logarit của kích thích. Bằng phương pháp ước lượng độ lớn trực tiếp, Stevens đã chứng minh rằng mối quan hệ giữa độ lớn cảm giác và cường độ vật lý được mô tả chính xác hơn bằng một hàm số lũy thừa:

$\psi(I) = k \cdot I^a$

Trong phương trình trên, ký hiệu $\psi(I)$ biểu thị độ lớn chủ quan của cảm giác, $I$ là cường độ vật lý của kích thích đo được bằng các thiết bị vật lý, $k$ là hằng số tỷ lệ phụ thuộc vào đơn vị đo lường, và $a$ là số mũ đặc trưng cho từng phương thức cảm giác cụ thể. Khi số mũ nhỏ hơn một, cảm giác tăng chậm hơn so với sự gia tăng của kích thích vật lý, như trường hợp độ sáng thị giác hay cường độ âm thanh thính giác, giúp hệ thần kinh nén dải động học khổng lồ của các kích thích tự nhiên mà không làm quá tải nơ-ron. Ngược lại, khi số mũ lớn hơn một, cảm giác tăng vọt nhanh hơn nhiều so với kích thích vật lý, điển hình là cảm giác điện giật hay kích thích đau đớn, đóng vai trò như một cơ chế cảnh báo sinh tồn khẩn cấp để cơ thể kịp thời rút lui khỏi tác nhân gây tổn thương.

Bên cạnh định luật hàm mũ Stevens, định luật Weber cũng chỉ ra rằng ngưỡng sai biệt cảm giác là một tỷ lệ không đổi so với cường độ kích thích ban đầu, biểu thị qua phân số Weber:

$\frac{\Delta I}{I} = c$

Phương trình này giải thích lý do tại sao con người có thể dễ dàng nhận ra sự thay đổi nhỏ của một kích thích yếu, nhưng lại đòi hỏi một sự biến thiên lớn hơn rất nhiều để nhận biết cùng mức độ thay đổi khi kích thích ban đầu ở cường độ rất cao.

Cơ sở phân tử và Thụ thể cảm giác

Quá trình cảm giác bắt đầu tại các thụ thể cảm giác chuyên biệt, nơi diễn ra cơ chế chuyển đổi năng lượng (transduction) biến năng lượng ánh sáng, hóa học, cơ học hoặc nhiệt năng thành tín hiệu điện thế thụ thể. Trong nhiều thập kỷ, bản chất phân tử của quá trình thụ cảm nhiệt độ và cơ học vẫn là một bí ẩn lớn của sinh học thần kinh, cho đến khi các phát hiện mang tính cách mạng được vinh danh bằng giải thưởng Nobel Sinh lý học hoặc Y học vào năm 2021.

Vào năm 1997, nhóm nghiên cứu do David Julius chủ trì tại Đại học California San Francisco đã công bố trên tạp chí Nature công trình nhân bản thành công gen mã hóa thụ thể TRPV1 (Transient Receptor Potential Vanilloid 1). Công trình của Caterina và cộng sự đã xác định TRPV1 là một kênh cation không chọn lọc nằm trên màng các nơ-ron cảm giác đau nguyên phát. Kênh ion này được kích hoạt trực tiếp bởi nhiệt độ cao nguy hiểm trên 43 độ C, cũng như bởi phân tử capsaicin có trong ớt cay và ion hydro trong môi trường toan hóa mô do viêm. Khám phá này đã đặt nền móng phân tử đầu tiên cho sự hiểu biết về cách thức cơ thể cảm nhận nhiệt độ nóng rát và đau do nhiệt.

Về thụ cảm cơ học, vào năm 2010, Ardem Patapoutian và các cộng sự tại Viện nghiên cứu Scripps đã tạo nên bước đột phá lớn khi công bố trên tạp chí Science việc nhận diện hai kênh ion nhạy cảm cơ học mang tên Piezo1 và Piezo2. Trong đó, Piezo2 được biểu hiện dày đặc tại các nơ-ron hạch rễ sau, các tế bào Merkel trên da và các suốt cơ thần kinh. Kênh Piezo2 đóng vai trò then chốt cho cảm giác xúc giác chạm nhẹ trên da và thụ cảm bản thể, cho phép con người nhận thức chính xác vị trí và chuyển động của các chi trong không gian ngay cả khi nhắm mắt.

Kênh ion / Thụ thể	Tác giả / Năm phát hiện	Kích thích kích hoạt chính	Chức năng cảm giác sinh học
Thụ thể nhiệt và đau TRPV1	Caterina và cộng sự (năm 1997)	Nhiệt độ nguy hại trên 43 độ C và phân tử capsaicin	Dẫn truyền cảm giác nóng rát, đau đớn và tăng cảm đau do viêm
Kênh thụ cảm cơ học Piezo2	Coste và cộng sự (năm 2010)	Lực căng bề mặt màng tế bào do lực cơ học	Chịu trách nhiệm cho xúc giác chạm tinh vi và cảm nhận bản thể định vị không gian

Tổ chức nơ-ron và Kiến trúc vỏ não cảm giác

Sau khi tín hiệu cảm giác được chuyển mã tại ngoại vi, các xung động thần kinh lan truyền dọc theo các sợi thần kinh hướng tâm qua tủy sống và đồi thị để đến các vùng vỏ não cảm giác sơ cấp. Tại đây, thông tin cảm giác được phân tích dựa trên các nguyên lý tổ chức không gian và chức năng tinh vi.

Vào năm 1957, nhà sinh lý học thần kinh Vernon Mountcastle đã công bố công trình kinh điển trên Journal of Neurophysiology khám phá ra nguyên lý tổ chức dạng cột của vỏ não cảm giác thân thể sơ cấp. Mountcastle chỉ ra rằng vỏ não không vận hành như một mạng lưới đồng nhất, mà được cấu thành từ các cột nơ-ron thẳng đứng xuyên suốt sáu lớp tế bào. Tất cả các nơ-ron nằm trong cùng một cột hẹp đều đáp ứng với cùng một phương thức cảm giác cụ thể từ một vị trí tiếp nhận xác định trên cơ thể. Khám phá này đã trở thành nguyên lý tổ chức phổ quát cho toàn bộ tân vỏ não của động vật có vú.

Mở rộng nguyên lý này sang thị giác, David Hubel và Torsten Wiesel vào năm 1962 đã công bố nghiên cứu đột phá trên The Journal of Physiology về vỏ não thị giác sơ cấp. Hai ông đã chứng minh sự tồn tại của các tế bào đơn giản và tế bào phức tạp có tính chọn lọc cao với hướng của thanh ánh sáng trong trường tiếp nhận, đồng thời làm sáng tỏ các cột ưu thế mắt và cột định hướng. Nghiên cứu của Hubel và Wiesel đã đặt nền móng cho học thuyết xử lý thông tin thị giác theo cấp bậc, từ các đặc điểm cục bộ đến các hình ảnh nhận thức phức tạp.

Tích hợp đa giác quan và Động lực học nơ-ron

Trong đời sống tự nhiên, con người hiếm khi tiếp nhận các kích thích cảm giác một cách đơn lẻ. Thay vào đó, môi trường xung quanh liên tục cung cấp các dòng tín hiệu đồng thời đến thị giác, thính giác, xúc giác, khứu giác và vị giác. Não bộ phải thực hiện quá trình tích hợp đa giác quan (multisensory integration) để tổng hợp các thông tin rời rạc này thành một trải nghiệm tri nhận mạch lạc và toàn vẹn.

Công trình tổng quan của Daniel Senkowski và Andreas K. Engel công bố năm 2024 trên tạp chí Nature Reviews Neuroscience đã làm sáng tỏ cơ chế động lực học thần kinh trên nhiều thang đo thời gian làm nền tảng cho quá trình tích hợp đa giác quan. Senkowski và Engel chỉ ra rằng sự phối hợp đa giác quan không chỉ diễn ra tại các vùng vỏ não liên hợp bậc cao như quan niệm cổ điển, mà xuất hiện rất sớm thông qua các liên kết hồi tiếp và tương tác ngang trực tiếp giữa các vùng cảm giác sơ cấp. Quá trình này được điều phối bởi các dao động nơ-ron đồng bộ ở dải tần số gamma và beta, tạo điều kiện cho các cụm nơ-ron ở các vùng não xa nhau kết nối chức năng linh hoạt theo thời gian thực.

Sự tích hợp đa giác quan nâng cao đáng kể độ chính xác và tốc độ phản ứng của sinh vật đối với các mối nguy hiểm từ môi trường, đồng thời bù trừ cho sự suy giảm hoặc méo mó của một phương thức cảm giác đơn lẻ. Các hiện tượng kinh điển như hiệu ứng McGurk trong tri nhận ngôn ngữ hay cảm giác vị giác bị biến đổi bởi mùi hương và màu sắc là minh chứng rõ nét cho tính chất tương tác chặt chẽ này.

Ý nghĩa trong lâm sàng, Phục hồi chức năng và Công nghệ

Nghiên cứu về cảm giác có ý nghĩa ứng dụng thực tiễn to lớn trong y học lâm sàng, tâm thần học và kỹ thuật công nghệ tiên tiến. Trong thần kinh học lâm sàng, đánh giá sự toàn vẹn của các phương thức cảm giác là công cụ cốt lõi giúp định khu tổn thương tại tủy sống, thân não hoặc bán cầu đại não. Các rối loạn cảm giác như mất cảm giác, loạn cảm giác, ảo giác hay tăng cảm đau là những triệu chứng lâm sàng quan trọng trong các bệnh lý thoái hóa thần kinh, đột quỵ và đau thần kinh mạn tính.

Trong lĩnh vực phục hồi chức năng và công nghệ y sinh, hiểu biết sâu sắc về các thụ thể cơ học và thụ thể nhiệt đã thúc đẩy sự ra đời của các bộ phận giả thần kinh cảm giác sinh học (bionic prosthetics). Các thiết bị hiện đại tích hợp cảm biến áp lực và kích thích điện hồi tiếp vào các sợi thần kinh ngoại biên còn lại, giúp người tàn tật lấy lại cảm giác xúc giác chạm và kiểm soát lực cầm nắm một cách tự nhiên. Bên cạnh đó, các mô hình tâm vật lý học và xử lý tín hiệu cảm giác đang được ứng dụng rộng rãi trong thiết kế giao diện thực tế ảo, công nghệ xúc giác haptic và các hệ thống trí tuệ nhân tạo phỏng sinh học.