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

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Thị giác là giác quan tiếp nhận ánh sáng và hình ảnh từ môi trường, chuyển đổi năng lượng quang học thành tín hiệu điện sinh học để não xử lý. Bộ phận đầu mối của thị giác là mắt, nơi ánh sáng được hội tụ trên võng mạc qua hệ thống thấu kính tự nhiên gồm giác mạc và thủy tinh thể.

Quá trình thị giác bao gồm ba giai đoạn chính: thu nhận ánh sáng (image acquisition), chuyển đổi tín hiệu (transduction), và xử lý hình ảnh (perception). Thu nhận ánh sáng xảy ra khi photon kích hoạt sắc tố thị giác trong tế bào que và nón; chuyển đổi tín hiệu là quá trình truyền tín hiệu qua các tầng tế bào võng mạc; xử lý hình ảnh diễn ra tại các vùng vỏ não thị giác.

Thị giác đóng vai trò trung tâm trong nhận thức không gian, định hướng chuyển động, phân loại màu sắc, nhận diện đối tượng và đồng bộ hóa cảm giác với hệ vận động. Khả năng phân biệt chi tiết và nhận dạng hình dạng phụ thuộc vào mật độ tế bào nón ở hoàng điểm, trong khi khả năng nhìn ban đêm và phát hiện chuyển động nhạy thuộc về tế bào que ngoại vi.

Cấu trúc giải phẫu của hệ thị giác

Mắt gồm ba lớp chính: ngoài cùng là màng ngoài (giác mạc, củng mạc), trung gian là lớp mạch (mống mắt, thể mi, mạch máu), trong cùng là võng mạc chứa các tế bào cảm thụ ánh sáng. Khoang nội nhãn được chia thành dịch kính và dịch thủy tinh.

• Giác mạc: thủy tinh thể trong suốt, hơn 70% khả năng khúc xạ.
• Thủy tinh thể: điều chỉnh tiêu điểm bằng cơ chế thể mi để đảm bảo nét hình.
• Võng mạc: chứa tế bào que và nón, phân bố mật độ cao tại hoàng điểm.

Dây thị giác (optic nerve) bao gồm sợi trục của tế bào RGC, dẫn tín hiệu từ võng mạc đến nhân đồi thị bên ngoài (LGN). Tại giao thoa thị giác (optic chiasm), một phần sợi từ bán phần thái dương tách sang đối bên, bảo đảm thông tin không gian hai bán cầu được đồng bộ.

Cơ chế sinh lý tiếp nhận ánh sáng tại võng mạc

Võng mạc chứa hai loại tế bào cảm thụ chính: tế bào que (rods) và tế bào nón (cones). Que chuyên về thị giác ánh sáng yếu với độ nhạy cao, nón chịu trách nhiệm nhận dạng màu sắc và chi tiết hình ảnh trong điều kiện ánh sáng mạnh.

• Rods: chứa rhodopsin, peak hấp thụ ~498 nm, cho phép thị giác ban đêm.
• Cones: ba loại chứa photopsin S, M, L, peak hấp thụ lần lượt ~420 nm, 534 nm, 564 nm, cho phép phân biệt màu.

Ánh sáng vào mắt kích hoạt chuỗi phản ứng hoá – sinh: photon làm isomer hóa 11-cis-retinal thành all-trans-retinal, dẫn đến thay đổi cấu hình opsin, mở kênh ion và tạo điện thế hoạt động. Tế bào lưới (bipolar) tiếp nhận tín hiệu, điều chỉnh qua tế bào horizontal và amacrine, rồi truyền qua tế bào RGC để chuyển ra dây thị giác.

Đường dẫn thần kinh và xử lý tại não

Tín hiệu từ tế bào RGC đi qua dây thị giác đến LGN trong đồi thị, nơi thông tin về cường độ và không gian được điều tiết trước khi đến vỏ não thị giác sơ cấp (V1) ở thùy chẩm. Giao thoa thị giác đảm bảo tính đối xứng qua trung tâm và khả năng nhận diện không gian ba chiều.

• V1: phân tích cạnh, hướng và tần số không gian cơ bản thông qua tổ chức cột ocular dominance và orientation.
• V2, V3: xử lý thông tin phức hợp hơn như kết cấu bề mặt, độ sâu tương đối.
• Luồng dorsal (“where”): đi qua vùng MT/V5 để phát hiện chuyển động và không gian.
• Luồng ventral (“what”): đi qua V4 đến inferotemporal cortex để nhận diện màu sắc, hình dạng và đối tượng.

Sự tương tác giữa các luồng và các vùng liên hợp (parietal và temporal) tạo nên nhận thức hình ảnh toàn diện, hỗ trợ ra quyết định vận động và tương tác xã hội. Các vùng bộ não khác như parahippocampal place area (PPA) và fusiform face area (FFA) chuyên trách nhận diện cảnh vật và khuôn mặt.

Đặc điểm và chức năng vỏ thị giác sơ cấp

Vỏ thị giác sơ cấp (V1) nằm ở thùy chẩm, nhận tín hiệu trực tiếp từ LGN. Tổ chức retinotopic trong V1 bảo tồn tương quan không gian của hình ảnh võng mạc, trong đó khu vực hoàng điểm chiếm tỷ lệ diện tích lớn nhất.

Cấu trúc V1 bao gồm các cột ocular dominance (ODC) xen kẽ, mỗi cột chỉ nhận tín hiệu từ một mắt, và các cột orientation chuyên đáp ứng các cạnh theo hướng khác nhau. Độ dày vỏ não V1 khoảng 1.5–2 mm với sáu lớp tế bào phân biệt rõ ràng.

Sự tương tác của các đơn vị vi mạch trong V1 khởi đầu giai đoạn xử lý hình ảnh phức hợp, tạo tiền đề cho các vùng thị giác cấp cao hơn thực hiện nhận diện màu sắc, văn bản và cấu trúc hình khối.

Nhận thức hình ảnh cao cấp

Luồng ventral (“what”) dẫn qua V2, V4 đến inferotemporal cortex (IT), chịu trách nhiệm nhận diện màu sắc, hình dạng và khuôn mặt. V4 đặc biệt nhạy với màu và độ bão hòa, trong khi IT có các tế bào “grandmother cell” chuyên phản ứng với đối tượng quen thuộc.

Luồng dorsal (“where/how”) đi qua V5/MT đến vùng parietal, chuyên xử lý chuyển động, hướng nhìn và vị trí không gian. V5/MT có mật độ cao các tế bào đáp ứng nhanh với chuyển động, đóng vai trò then chốt trong điều hướng và theo dõi đối tượng.

• V4: nhận dạng màu, suy diễn bề mặt.
• V5/MT: phát hiện tốc độ và hướng chuyển động.
• IT: nhận diện khuôn mặt, đối tượng phức tạp.
• Parietal: phối hợp thị giác – vận động, đánh giá không gian.

Tương tác giữa hai luồng và các vùng liên hợp (ví dụ PPA – parahippocampal place area) tạo nên khả năng nhận diện cảnh vật, môi trường và hỗ trợ trí nhớ không gian.

Phát triển thị giác

Hệ thị giác bắt đầu hình thành từ tuần 4–7 của thai kỳ, khi phôi tạo nón thần kinh thị giác và võng mạc. Trong giai đoạn nhạy cảm sau sinh (critical period), trải nghiệm thị giác (ánh sáng, hình ảnh) là yếu tố quyết định sự phân bố synapse và phát triển các cột ocular dominance.

Thiếu kích thích thị giác sớm (ví dụ bị che mờ một mắt) dẫn đến amblyopia (lác), giảm khả năng phối hợp hai mắt và vĩnh viễn mất chức năng nếu không được can thiệp kịp thời. Các bài tập thị lực và kính chỉnh thị được sử dụng để phục hồi trong giai đoạn này.

Thị lực người trưởng thành đạt đỉnh ở tuổi 20–30, sau đó giảm dần do lão hóa thủy tinh thể và tái cấu trúc synapse ở vỏ não. Các bài tập nhìn xa gần và bổ sung dinh dưỡng (vitamin A, lutein) góp phần duy trì chức năng thị giác lâu dài.

Rối loạn và bệnh lý thị giác

Cận thị, viễn thị, loạn thị do sai khúc xạ của giác mạc hoặc thủy tinh thể, gây ảnh hưởng đến hội tụ ánh sáng trên võng mạc. Phẫu thuật LASIK điều chỉnh hình dạng giác mạc để khắc phục khúc xạ.

Mù màu (color blindness) thường do thiếu hụt photopsin trong nón L hoặc M, phổ biến là mù đỏ–xanh. Bệnh võng mạc tiểu đường và thoái hóa hoàng điểm rối loạn tế bào que/nón hoặc mạch máu võng mạc, dẫn đến mất thị lực trung tâm.

• Glaucoma: tăng áp lực nhãn cầu gây tổn thương dây thị giác, mất thị trường ngoại vi.
• Macular degeneration: thoái hóa hoàng điểm ở người cao tuổi, giảm thị lực chi tiết.
• Retinitis pigmentosa: rối loạn di truyền tế bào que, dẫn đến mù đêm và rối loạn thị trường.

Phương pháp nghiên cứu thị giác

EEG và MEG ghi lại tín hiệu điện và từ não theo thời gian thực, độ trễ miligiây, giúp khảo sát quá trình xử lý thị giác giai đoạn sớm (NCBI). Độ phân giải không gian thấp hơn nhưng thích hợp cho nghiên cứu động lực học thần kinh.

fMRI đo tín hiệu BOLD, độ phân giải không gian cao, cho phép xác định chính xác vùng V1–V5 hoạt động. PET sử dụng đồng vị phóng xạ để theo dõi chuyển hóa glucose, nghiên cứu bệnh nguyên thoái hóa.

• TMS: kích thích từ xuyên sọ, tác động và khảo sát chức năng vùng vỏ thị giác (NIMH).
• Optogenetics: sử dụng ánh sáng để điều khiển tế bào thần kinh đã được biến đổi gen, chủ yếu trong mô hình động vật.
• Behavioral tests: biểu đồ Snellen, thử nghiệm điều hướng ảo (VR mazes) đánh giá phối hợp mắt – não.

Ứng dụng công nghệ và triển vọng

Computer vision mô phỏng mô hình phân tích của hệ thị giác, ứng dụng trong nhận diện khuôn mặt, xe tự lái và giám sát an ninh. Các mạng nơ-ron sâu (CNN) được thiết kế theo cấu trúc cột orientation và ocular dominance để cải thiện độ chính xác.

Thực tế ảo (VR) và tăng cường (AR) tận dụng hiểu biết về quá trình xử lý thị giác để giảm mệt mỏi mắt và say sóng thông qua tối ưu tần số khung hình và đồng bộ thị giác – tiền đình.

Giao diện não–máy (BCI) dựa trên tín hiệu vỏ thị giác giúp người khiếm thị điều khiển thiết bị bằng ý nghĩ hoặc kích thích trực tiếp vùng V1 thông qua chip điện cực cấy ghép, mở ra hướng điều trị mới (Nature Neuroscience).

Danh mục tài liệu tham khảo

1. Purves, D., et al. Neuroscience (6th ed.), Sinauer Associates, 2018.
2. Hubel, D. H., & Wiesel, T. N. “Receptive fields, binocular interaction and functional architecture in the cat’s visual cortex”. Journal of Physiology, 160(1), 1962.
3. Lee, B. B., et al. “Visual Neuroscience: From Neuron to Cognition”. Annual Review of Vision Science, 3, 2017.
4. National Eye Institute. “Facts About Vision and Eye Health”. NIH, 2021. Retrieved from https://www.nei.nih.gov
5. World Health Organization. “Preventing blindness and visual impairment”. WHO, 2019. Retrieved from https://www.who.int
6. Nature Neuroscience. “Optogenetic control of visual cortex for BCI”. 2015. Retrieved from https://www.nature.com/articles/nn.4016
7. Colour Blind Awareness. “Types of Colour Blindness”. 2022. Retrieved from https://www.colourblindawareness.org