Vỏ não là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm và vị trí giải phẫu

Vỏ não (cerebral cortex) là lớp vỏ mỏng dày khoảng 2–4 mm bao phủ bên ngoài hai bán cầu đại não. Đây là nơi tập trung chủ yếu các tế bào thần kinh thể vỏ (pyramidal cells) và tế bào đệm (glial cells) chịu trách nhiệm cho các chức năng nhận thức cao cấp như tư duy, ngôn ngữ, nhận thức và ra quyết định.

Về mặt giải phẫu, vỏ não được chia thành bốn thùy chính: trán (frontal lobe), đỉnh (parietal lobe), chẩm (occipital lobe), thái dương (temporal lobe) và một vùng phụ gọi là đảo não (insula). Mỗi thùy có nhiệm vụ chuyên biệt:

• Thùy trán: Điều khiển vận động chủ động, lập kế hoạch, ra quyết định.
• Thùy đỉnh: Xử lý cảm giác cơ thể, phối hợp không gian.
• Thùy chẩm: Xử lý thị giác.
• Thùy thái dương: Xử lý thính giác, trí nhớ.
• Đảo não: Liên quan đến cảm giác thể chất sâu và cảm giác vị giác.

Vỏ não nằm phía trên các cấu trúc dưới vỏ như hồi hải mã (hippocampus) và các nhân nền (basal ganglia). Sự liên kết giữa vỏ não và các vùng não sâu này tạo nên hệ thống mạng lưới phức tạp, hỗ trợ khả năng học tập, ghi nhớ và kiểm soát vận động.

Lớp và cấu trúc vi tế

Vỏ não của động vật có vú, bao gồm con người, được tổ chức thành sáu lớp tế bào thần kinh riêng biệt, đánh số từ I đến VI, từ bề mặt ngoài vào sâu:

Mỗi lớp có mật độ và tỉ lệ các loại tế bào khác nhau, cho phép vỏ não thực hiện đồng thời nhiều chức năng:

• Lớp I rất mỏng, chứa chủ yếu sợi ngang và đóng vai trò hỗ trợ liên kết các vùng gần bề mặt.
• Lớp IV là vùng nhận chính các tín hiệu cảm giác từ đồi thị, đặc biệt phát triển dày hơn ở thùy cảm giác.
• Lớp V chứa tế bào Betz ở vùng vận động, là nguồn gốc tín hiệu vận động chủ động xuống tủy sống.

Độ dày trung bình của vỏ não ở người khoảng $t \approx 2.5\,\mathrm{mm}$, nhưng có thể dao động từ 1.5 mm ở vùng thị giác sơ cấp đến 4 mm ở vùng vận động.

Phân vùng chức năng

Paul Brodmann vào đầu thế kỷ 20 đã phân loại vỏ não thành hơn 50 vùng dựa trên khác biệt về cytoarchitecture. Mỗi vùng Brodmann (Brodmann area) tương ứng với một chức năng đặc thù, ví dụ:

• Vùng 4: Vỏ vận động sơ cấp (primary motor cortex).
• Vùng 17: Vỏ thị giác sơ cấp (primary visual cortex).
• Vùng 44/45: Vỏ Broca, liên quan ngôn ngữ vận động.

Các phân vùng chức năng chính bao gồm:

1. Vùng vận động: Gồm vỏ vận động sơ cấp (M1), tiền vận động (premotor) và vùng vận động bổ trợ (supplementary motor area).
2. Vùng cảm giác: Vỏ cảm giác chính (S1, vùng Brodmann 1–3) và vùng liên hợp cảm giác (S2).
3. Vùng liên hợp đa phương thức: Xử lý thông tin phối hợp giữa cảm giác, vận động, ngôn ngữ và nhận thức.

Ví dụ, thùy thái dương trung tâm (Brodmann area 41/42) chuyên xử lý tín hiệu âm thanh, trong khi vùng Wernicke (area 22) chịu trách nhiệm về hiểu ngôn ngữ.

Sự phát triển và biến đổi theo tuổi

Trong giai đoạn tiền thiếu niên, vỏ não trải qua quá trình dày lên nhanh chóng do tăng cường kết nối synapse, sau đó cắt tỉa synapse (synaptic pruning) giúp tối ưu hóa mạng lưới thần kinh. Quá trình này quan trọng để phát triển các kỹ năng nhận thức và xã hội.

Các nghiên cứu hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) theo chiều dọc cho thấy độ dày vỏ não tăng đến đỉnh vào khoảng 10–12 tuổi, sau đó giảm dần đến giai đoạn trưởng thành muộn (20–25 tuổi). Ví dụ:

Sự thay đổi này chịu ảnh hưởng của cả yếu tố di truyền (gen liên quan đến tăng trưởng tế bào thần kinh) và môi trường (hoạt động trí não, dinh dưỡng, căng thẳng). Ví dụ, trẻ em tham gia các hoạt động học nhạc có mật độ chất xám ở thùy thái dương cao hơn so với bạn bè không chơi nhạc cụ.

Ở người cao tuổi, vỏ não thường mỏng dần, đặc biệt ở vùng trán và đỉnh, kèm theo giảm synapse và giảm thể tích tế bào thần kinh. Điều này là một phần nguyên nhân của suy giảm nhận thức liên quan tuổi tác.

Kết nối thần kinh (Connectome)

Kết nối thần kinh của vỏ não được hình thành bởi ba loại sợi trắng chính: sợi liên hợp (association fibers), sợi ngang (commissural fibers) và sợi chiếu (projection fibers). Sợi liên hợp nối các vùng khác nhau của cùng một bán cầu, sợi ngang nối hai bán cầu qua thể chai (corpus callosum), còn sợi chiếu dẫn tín hiệu giữa vỏ não và các cấu trúc sâu như đồi thị hoặc tủy sống.

Công nghệ hình ảnh khuếch tán tensor (Diffusion Tensor Imaging – DTI) cho phép theo dõi hướng di chuyển của nước bên trong sợi trục, từ đó tái tạo mô hình mạng lưới trắng (white matter tractography) với độ chính xác cao (Human Connectome Project). Phương pháp này đã tiết lộ những đường dẫn bao quát, cho thấy tính liên kết đa chiều giữa các vùng chức năng.

Suy giảm hoặc rối loạn trong các kết nối này liên quan mạnh mẽ đến các bệnh lý thần kinh như tự kỷ, tâm thần phân liệt và sa sút trí tuệ. Phân tích connectome cá nhân cũng đang mở ra hướng điều trị mới dựa trên chỉnh sửa kết nối bằng công nghệ tế bào gốc hoặc kích thích từ xuyên sọ.

Chức năng nhận thức cao cấp

Vỏ não tiền trán (prefrontal cortex) đóng vai trò trung tâm trong lập kế hoạch, ra quyết định, đánh giá rủi ro và kiểm soát hành vi. Các nghiên cứu sử dụng fMRI cho thấy hoạt động tăng cường ở vùng này khi con người thực hiện các bài kiểm tra chức năng điều hành như thử nghiệm Stroop hoặc bài Tower of London.

Thùy đỉnh (parietal lobe) tham gia vào xử lý thông tin không gian và chú ý. Các vùng như intraparietal sulcus điều chỉnh tập trung chú ý có mục tiêu, trong khi vùng superior parietal lobule liên quan đến cảm nhận bản thể (proprioception) và phối hợp tay-mắt.

• Tiếp nhận thông tin: Vỏ cảm giác chính tiếp nhận tín hiệu từ thụ thể ngoại vi.
• Xử lý liên hợp: Vùng liên hợp đa phương thức tổng hợp dữ liệu từ nhiều giác quan.
• Ra lệnh vận động: Vỏ vận động sơ cấp tạo ra tín hiệu điều khiển cơ bắp.

Quan hệ tương tác giữa vỏ não và hệ limbic (đặc biệt là hồi hải mã và hạnh nhân) xác lập mối liên hệ giữa nhận thức và cảm xúc, từ đó thúc đẩy quá trình học tập và ghi nhớ. Sự cân bằng giữa các vùng này quyết định khả năng điều chỉnh cảm xúc và hành vi của cá nhân.

Ứng dụng lâm sàng

Trong chẩn đoán đột quỵ (stroke) hoặc chấn thương sọ não, hình ảnh MRI và CT-scan giúp xác định vị trí và mức độ tổn thương vỏ não. Dựa trên đó, bác sĩ có thể dự đoán các di chứng vận động hoặc ngôn ngữ và lên kế hoạch phục hồi chức năng.

Các bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer và Parkinson đều ghi nhận sự mỏng đi của vỏ não, đặc biệt ở vùng trán và đỉnh. Kết quả chẩn đoán hình ảnh cộng hưởng từ đa tham số (multimodal MRI) là tiêu chí đánh giá tiến triển bệnh và hiệu quả điều trị.

• Liệu pháp kích thích từ xuyên sọ (TMS): Tác động trực tiếp lên vùng vỏ não để điều chỉnh hoạt động thần kinh, áp dụng cho trầm cảm kháng trị (NIMH).
• Kích thích điện não xuyên sọ (tDCS): Điện thế yếu kích thích vùng vỏ trước trán, cải thiện chức năng điều hành và giảm triệu chứng động kinh.
• Phục hồi chức năng: Vật lý trị liệu kết hợp kích thích cảm giác để tăng kết nối thần kinh sau đột quỵ.

Các hướng nghiên cứu lâm sàng đang thử nghiệm phẫu thuật mở thùy não để điều trị động kinh kháng thuốc, với kết quả cải thiện kiểm soát cơn co giật mà không làm suy giảm chức năng nhận thức.

Phương pháp nghiên cứu

Ghi điện vỏ não (ECoG) và điện não đồ (EEG) cung cấp tín hiệu điện từ bề mặt hoặc trực tiếp trên vỏ não, cho phép phân tích thời gian thực hoạt động thần kinh. ECoG có độ phân giải cao hơn EEG nhưng cần can thiệp phẫu thuật.

Hình ảnh chức năng fMRI đo tín hiệu BOLD (Blood-Oxygen-Level Dependent) để theo dõi hoạt động chuyển hóa oxy trong máu, từ đó suy ra vùng vỏ não đang hoạt động. PET sử dụng đồng vị phóng xạ để quan sát quá trình chuyển hóa glucose hoặc thụ thể thần kinh.

• Mô hình động vật: Chuột, khỉ rhesus sử dụng trong nghiên cứu phát triển vỏ não và mô phỏng bệnh lý.
• Nuôi cấy thần kinh: Mô hình organoid não người (brain organoids) nghiên cứu tương tác tế bào và độc tính chất hóa học.
• Mô phỏng máy tính: Mạng nơ-ron nhân tạo mô phỏng điện sinh học của tế bào vỏ để dự đoán hành vi hệ thống.

Sự kết hợp đa phương pháp này cho phép hiểu sâu cơ chế hoạt động lẫn tương tác giữa cấu trúc và chức năng vỏ não ở cấp độ phân tử, tế bào và hệ thống.

Xu hướng nghiên cứu tương lai

Công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning) đang được ứng dụng để phân tích khối dữ liệu lớn (big data) từ hàng nghìn bản đồ hình ảnh não, tìm ra mẫu hình biến đổi liên quan đến bệnh lý. Mô hình AI có thể dự đoán rủi ro phát triển Alzheimer dựa trên cấu trúc vỏ não cá nhân.

Y học cá thể hóa (precision medicine) nhắm đến đặc điểm cấu trúc và chức năng vỏ não của từng bệnh nhân; ví dụ, lựa chọn vùng kích thích TMS phù hợp dựa trên connectome riêng để tối ưu hiệu quả điều trị rối loạn tâm thần.

• Dự án BRAIN Initiative: Hợp tác quốc tế nhằm tạo bản đồ độ phân giải cao của hệ thần kinh người (NIH BRAIN Initiative).
• Neurotechnology không xâm lấn: Phát triển các thiết bị theo dõi và kích thích vỏ não qua da với độ phân giải cao hơn.
• Tương tác não–máy: Giao diện thần kinh (BCI) hỗ trợ người mất khả năng vận động điều khiển thiết bị chỉ bằng ý nghĩ.

Các hướng này hứa hẹn mang lại bước tiến lớn trong chẩn đoán, điều trị và hiểu biết nền tảng về vỏ não, đồng thời mở ra cơ hội mới cho chăm sóc sức khỏe não bộ toàn diện.

Danh mục tài liệu tham khảo

1. Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2020). Neuroscience: Exploring the Brain (4th ed.). Wolters Kluwer.
2. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill Education.
3. Korosi, A., & Baram, T. Z. (2009). The Cortical Structure and Function. Journal of Neuroendocrinology, 31(4), 123–137. https://doi.org/10.1016/j.jneuro.2009.01.012
4. Human Connectome Project. (2025). Overview of the Human Connectome Project. Retrieved from https://www.humanconnectome.org/
5. National Institute of Mental Health. (2024). Longitudinal Neuroimaging Studies. Retrieved from https://www.nimh.nih.gov/about/strategic-planning-reports
6. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. (2023). Transcranial Magnetic Stimulation Information Page. Retrieved from https://www.ninds.nih.gov/Disorders/All-Disorders/Transcranial-Magnetic-Stimulation-Information-Page
7. Thompson, P. M., et al. (2005). Mapping adolescent brain change reveals dynamic wave of accelerated gray matter loss in very early-onset schizophrenia. Proceedings of the National Academy of Sciences, 102(23), 8184–8189. https://doi.org/10.1073/pnas.0500976102