Thành phần EEG N100

N100 là gì?

N100 điện thế gợi thính giác chỉ ra một giai đoạn cụ thể của quá trình mã hóa cảm giác. Nó đại diện cho quá trình tính toán trong đó não bộ so sánh thông tin thính giác đầu vào với các mô hình bên trong để xác định khả năng xảy ra của âm thanh. Thành phần N100 hoạt động trong cấu trúc xử lý dự đoán, đo lường sự căn chỉnh giữa các tín hiệu cảm giác và các mô hình đã học.

Bằng chứng trực tiếp cho vai trò tính toán này đến từ một nghiên cứu từ não đồ (MEG) của Todorovic & Lange, nghiên cứu này đã tách biệt cẩn thận hai quá trình thường bị nhầm lẫn với nhau trong việc định hình nhận thức thính giác. Nghiên cứu đã thao tác trực giao sự lặp lại kích thích (lịch sử cục bộ, tức thời của một âm cụ thể) và kỳ vọng kích thích (xác suất thống kê đã học về việc âm nào có xu hướng theo sau các âm khác).

Sự phân tách về mặt thời gian cho thấy các phản hồi thính giác sớm, xảy ra trong một khoảng thời gian ngắn từ 40 đến 60 mili giây sau kích thích, đã bị suy giảm một cách chọn lọc chỉ bởi sự lặp lại. Một âm thanh đơn thuần lặp lại từ thử nghiệm trước đó đã gợi lên một phản hồi thần kinh sớm nhỏ hơn, bất kể người nghe có mong đợi nó dựa trên mô hình rộng hơn hay không.

Khoảng thời gian xử lý tiếp theo, kéo dài từ 100 đến 200 mili giây, lại cho thấy một câu chuyện hoàn toàn khác. Tại đây, phản hồi thần kinh bị triệt tiêu một cách chọn lọc bởi kỳ vọng hợp lệ. Khi một âm thanh có thể dự đoán được dựa trên các quy luật thống kê đã học trong chuỗi, hoạt động trong phạm vi độ trễ này giảm đi một cách đáng tin cậy, ngay cả khi âm thanh đó tạo ra sự thay đổi so với kích thích ngay trước đó. Do thành phần N100 nằm chính xác trong khoảng từ 100 đến 200 mili giây này, nó đóng vai trò như một dấu ấn thần kinh cho giai đoạn trung gian này của quá trình mã hóa cảm giác.

Giai đoạn này tích hợp các tín hiệu dự đoán từ trên xuống (tức là các dự báo do các vùng vỏ não cao hơn tạo ra về các sự kiện cảm giác sắp tới) với thông tin cảm giác từ dưới lên truyền đến từ tai. Khi dự đoán và thông tin đầu vào khớp nhau, N100 thu nhỏ lại. Khi chúng xung đột, N100 phình to ra, báo hiệu rằng vỏ não phải hoạt động tích cực hơn để mã hóa sự kiện bất ngờ đó.

Sự lọc cảm giác và sự quen nhờn với các âm thanh lặp lại

Ngoài việc mã hóa trong một thử nghiệm đơn lẻ, N100 cung cấp một phép đo nhạy cảm về cách não bộ quản lý các kích thích lặp đi lặp lại thông qua một quá trình gọi là lọc cảm giác. Lọc cảm giác mô tả quá trình lọc thần kinh tự động giúp bảo vệ các hệ thống nhận thức cao hơn khỏi bị tràn ngập bởi thông tin dư thừa. Một hệ thống lọc khỏe mạnh sẽ nhanh chóng giảm phản hồi đối với các âm thanh lặp đi lặp lại, không liên quan, nhằm bảo tồn băng thông xử lý cho các sự kiện mới lạ hoặc nổi bật.

Trong phòng thí nghiệm điện não đồ (EEG), khả năng này thường được đo bằng mô hình nhấp đúp (paired-click), trong đó hai tiếng click giống hệt nhau được phát ra liên tiếp nhanh chóng, được ký hiệu là S1 và S2. Một phản hồi lọc mạnh mẽ được đặc trưng bởi một N100 nhỏ hơn đáng kể đối với S2 so với S1.

Trong khi các phép đo lọc dựa trên phòng thí nghiệm sử dụng tiếng nhấp đúp ghi lại một phần cụ thể của cơ chế lọc này, thì sự quen nhờn với các chuỗi âm thanh giống hệt nhau dài hơn lại cung cấp một góc nhìn bổ sung và mang lại nhiều thông tin. Một nghiên cứu sử dụng EEG mảng mật độ cao đã trình bày cho những người tham gia các chuỗi gồm bốn âm thanh giống hệt nhau và kiểm tra xem N100 thay đổi như thế nào qua các lần xuất hiện liên tiếp.

Ở những cá nhân phát triển bình thường, biên độ của phản hồi N1 cho thấy một mô hình quen nhờn rõ rệt, giảm dần khi âm thanh lặp lại. Bộ não đã xác định một cách hiệu quả rằng âm thanh lặp lại không mang lại thông tin mới và giảm phản hồi điện sinh lý của nó một cách tương ứng. Sự giảm thiểu thích ứng sau đó đại diện cho một cơ chế hiệu quả cơ bản, ngăn các hệ thống cảm giác liên tục đầu tư tài nguyên chuyển hóa vào việc xử lý một nền âm thanh tĩnh và không liên quan đến hành vi.

Hơn nữa, các chỉ số lọc N100 có được từ các mô hình nhấp đúp cung cấp một vài khía cạnh định lượng vào quá trình lọc này. Các nhà nghiên cứu có thể đo biên độ phản hồi đối với tiếng click đầu tiên, cho thấy khả năng ghi nhận ban đầu của não bộ. Biên độ đối với tiếng click thứ hai cho biết lượng tín hiệu ban đầu đó còn tồn tại bao nhiêu.

Từ các giá trị này, sự chênh lệch biên độ—được tính bằng cách trừ phản hồi S2 khỏi phản hồi S1—có thể được xác định, cùng với tỷ lệ lọc bằng cách chia biên độ S2 cho biên độ S1. Điểm chênh lệch nhỏ hơn và tỷ lệ lọc lớn hơn thường chỉ ra cơ chế lọc bị suy giảm.

Cách sự chú ý và dự đoán định hình N100

Sự chú ý và dự đoán định hình N100 bằng cách điều chỉnh biên độ của nó dựa trên mức độ liên quan đến hành vi và tính mới mẻ của thông tin từ các âm thanh đầu vào. Khả năng phản hồi này chỉ ra rằng N100 hoạt động như một quá trình năng động, nơi kỳ vọng và sự chú ý phân bổ tài nguyên nhận thức một cách linh hoạt cho các kích thích thính giác.

N100 chiếm một vị trí trung gian hấp dẫn trong phân loại các điện thế não. Nó đủ sớm để được coi là một thành phần cảm giác, chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các đặc tính vật lý của âm thanh, nhưng nó cũng thể hiện rõ tính dễ bị ảnh hưởng bởi các tác động từ bên ngoài con đường thính giác sơ cấp.

Cơ sở cơ chế cho tính linh hoạt này được tìm thấy trong sự tương tác giữa sự lặp lại và sự triệt tiêu kỳ vọng. Phát hiện cho thấy kỳ vọng làm suy giảm một cách chọn lọc cửa sổ phản hồi 100 đến 200 mili giây—chính là phạm vi độ trễ chứa N100—cung cấp nền tảng thực nghiệm cho mô hình kích hoạt sự chú ý. Kỳ vọng hợp lệ đại diện cho sự triển khai tính toán thần kinh của dự đoán từ trên xuống.

Khi não bộ dự đoán chính xác một âm thanh, sự xuất hiện của nó sẽ tạo ra tín hiệu lỗi dự đoán nhỏ hơn, biểu hiện về mặt điện sinh lý là một N100 nhỏ hơn. Điều này thường được coi là dấu hiệu của quá trình xử lý hiệu quả, cho thấy mô hình bên trong của não về môi trường thính giác đã đủ chính xác để triệt tiêu một phần nhu cầu về một phản hồi vỏ não đầy đủ đối với thông tin cảm giác đầu vào.

Đáng chú ý, khái niệm hóa này phân biệt N100 với các thành phần thậm chí còn sớm hơn, trước khi có sự chú ý, như P50. Trong khi quá trình lọc P50 được cho là do quá trình lọc tự động, cứng nhắc hoạt động trước khi sự chú ý có ý thức có thể can thiệp, thì N100 đánh dấu điểm mà não bộ bắt đầu tích cực so sánh bằng chứng cảm giác với tập hợp các giả thuyết nhận thức hiện tại của nó.

Khi một âm thanh đòi hỏi sự chú ý vì nó bất ngờ, mới lạ hoặc liên quan đến nhiệm vụ, phản hồi N100 được bảo tồn hoặc tăng cường, báo hiệu rằng sự kiện cảm giác đã vượt qua bộ lọc ban đầu và yêu cầu phân bổ các tài nguyên nhận thức có hạn.

Sự thiếu hụt ghi nhận cảm giác trong bệnh tâm thần phân liệt

Cấu trúc lý thuyết liên kết N100 với việc ghi nhận cảm giác và phân bổ sự chú ý tìm thấy ứng dụng có ý nghĩa lâm sàng nhất trong nghiên cứu bệnh tâm thần phân liệt.

Một đặc điểm cốt lõi và gây đau khổ của bệnh tâm thần phân liệt là trải nghiệm chủ quan bị choáng ngợp bởi thông tin cảm giác. Âm thanh dường như to hơn, xâm nhập hơn và khó phớt lờ hơn. Khung lọc cảm giác cung cấp một lăng kính thần kinh để hiểu các triệu chứng này, giả định rằng sự phá vỡ khả năng lọc thông tin không liên quan của não cho phép một lượng lớn dữ liệu cảm giác không phân biệt tiếp cận được nhận thức có ý thức.

Một nghiên cứu quy mô lớn năm 2020 sử dụng mô hình nhấp đúp thính giác thụ động đã kiểm tra khả năng lọc P50, N100 và P200 trên 104 bệnh nhân tâm thần phân liệt ổn định lâm sàng và 102 đối tượng kiểm soát khỏe mạnh. Nghiên cứu này đại diện cho phân tích đơn lẻ lớn nhất thuộc loại này để kiểm tra tập thể ba thành phần này.

Trong đó, so với nhóm đối chứng, bệnh nhân tâm thần phân liệt biểu hiện sự thiếu hụt lọc cảm giác đáng kể ở N100, đặc trưng bởi tỷ lệ lọc lớn hơn và sự chênh lệch biên độ nhỏ hơn. Những kết quả này cho thấy cơ chế lọc hoạt động trong cửa sổ độ trễ trung gian này bị tổn hại một cách rõ rệt.

Quan trọng là, mô hình của sự thiếu hụt này không phải là sự suy yếu chung của quá trình lọc. Phân tích sâu hơn cho thấy nhóm tâm thần phân liệt có biên độ S1 nhỏ hơn đối với N100 và P200. Hệ thống thính giác ở những bệnh nhân này ban đầu không mã hóa âm thanh một cách mạnh mẽ như ở những cá nhân khỏe mạnh. Thay vì vấn đề chủ yếu là thất bại trong việc triệt tiêu tiếng click thứ hai dư thừa, một trong những bất thường cốt lõi dường như là giảm sự tham gia của vỏ não vào việc xử lý chính âm thanh đầu tiên trong cặp âm thanh.

Đáng chú ý, nghiên cứu này không tìm thấy mối tương quan nào giữa các chỉ số lọc N100 và các nhóm triệu chứng tích cực hoặc tiêu cực tiêu chuẩn của bệnh tâm thần phân liệt được đo bằng các thang đo lâm sàng. Điều này cho thấy sự thiếu hụt ghi nhận N100 có thể hoạt động như một dấu ấn thần kinh ổn định, mang tính đặc điểm của chứng rối loạn hơn là một thước đo dao động theo mức độ nghiêm trọng của triệu chứng cấp tính.

Khả năng phục hồi đáng ngạc nhiên của N100 đối với kích thích não

Với sự liên quan rõ ràng của N100 trong các tình trạng tâm thần và phát triển thần kinh, các nỗ lực điều chỉnh trực tiếp thành phần này dường như là một bước trị liệu hợp lý.

Kích thích dòng điện một chiều xuyên sọ (tDCS) đại diện cho một trong những hình thức điều biến thần kinh không xâm lấn dễ tiếp cận nhất. Bằng cách áp dụng một dòng điện yếu thông qua các điện cực trên da đầu, tDCS nhằm mục đích dịch chuyển điện thế màng nghỉ của các tế bào thần kinh vỏ não bên dưới, từ đó làm thay đổi tính hưng phấn và khả năng phản hồi của chúng. Nhắm mục tiêu vào vỏ não thính giác bằng tDCS đã được đề xuất như một can thiệp tiềm năng cho các rối loạn xử lý thính giác trong bệnh tâm thần phân liệt, bao gồm cả những rối loạn được chỉ ra bởi N100.

Một thử nghiệm nghiêm ngặt về đề xuất này đã kiểm tra các tác động của tDCS cực dương được áp dụng trên vỏ não thái dương sau bên trái. Nghiên cứu của Kunzelmann và cộng sự đã sử dụng một thiết kế chéo mạnh mẽ, thử nghiệm 24 người tham gia khỏe mạnh trong hai phiên riêng biệt cách nhau một tuần.

Trong một phiên, những người tham gia nhận được kích thích cực dương thực sự. Trong phiên còn lại, họ nhận được kích thích giả vờ (sham), một điều kiện giả dược trong đó dòng điện được tăng lên nhanh chóng rồi tắt đi, bắt chước cảm giác ban đầu mà không truyền kích thích duy trì. Các điện thế gợi thính giác, bao gồm cả N100, đã được ghi lại trong quá trình nghe âm thụ động trước, trong và sau khi kích thích.

Các tác giả không tìm thấy sự khác biệt đáng kể nào giữa kích thích cực dương và kích thích giả vờ, và không có tác động đáng kể nào của kích thích theo thời gian đối với bất kỳ biên độ hoặc độ trễ N100 nào được nghiên cứu. Ngay cả một phân tích bản đồ địa hình chi tiết, lập bản đồ phân bố điện áp trên toàn bộ da đầu trong khoảng thời gian N100, cũng không thể tiết lộ bất kỳ thay đổi nào do kích thích gây ra ngoài hiệu ứng quen nhờn chung được quan sát thấy như nhau ở cả hai điều kiện.

Kết quả vô hiệu này cho thấy các bộ tạo sinh lý thần kinh của điện thế gợi thính giác N100 có khả năng phục hồi đáng kinh ngạc đối với loại điện trường yếu, khuếch tán do tDCS tạo ra trên vỏ não thái dương.

Tóm lại

N100 cho thấy một thời điểm quan trọng khi não quyết định mức độ chú ý mà một âm thanh xứng đáng nhận được bằng cách so sánh nó với các dự đoán được xây dựng từ kinh nghiệm trong quá khứ. Các âm thanh lặp đi lặp lại hoặc được mong đợi tạo ra các phản hồi nhỏ hơn, trong khi các âm thanh gây ngạc nhiên tạo ra các phản hồi lớn hơn, cho thấy não bộ tưởng thưởng cho các kỳ vọng chính xác và tiết kiệm năng lượng. Điều này làm cho N100 trở thành một thước đo đặc biệt hữu ích về mức độ hiệu quả của hệ thống cảm giác trong việc lọc thế giới thính giác trước khi các quá trình nhận thức cao hơn tiếp quản. N100 cũng dường như là một dấu ấn ổn định mang tính đặc điểm hơn là một thước đo triệu chứng, và nó chống lại kích thích điện trực tiếp, điều này đặt ra các giới hạn quan trọng đối với các phương pháp điều trị được đề xuất.

Tài liệu tham khảo

1. Todorovic, A., & de Lange, F. P. (2012). Repetition suppression and expectation suppression are dissociable in time in early auditory evoked fields. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience, 32(39), 13389–13395. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2227-12.2012

2. Ethridge, L. E., White, S. P., Mosconi, M. W., Wang, J., Byerly, M. J., & Sweeney, J. (2016). Reduced habituation of auditory evoked potentials indicate cortical hyper-excitability in Fragile X Syndrome. Translational psychiatry, 6(4), e787-e787. https://doi.org/10.1038/tp.2016.48

3. Shen, C. L., Chou, T. L., Lai, W. S., Hsieh, M. H., Liu, C. C., Liu, C. M., & Hwu, H. G. (2020). P50, N100, and P200 auditory sensory gating deficits in schizophrenia patients. Frontiers in Psychiatry, 11, 868. https://doi.org/10.3389/fpsyt.2020.00868

4. Kunzelmann, K., Meier, L., Grieder, M., Morishima, Y., & Dierks, T. (2018). No effect of transcranial direct current stimulation of the auditory cortex on auditory-evoked potentials. Frontiers in neuroscience, 12, 880. https://doi.org/10.3389/fnins.2018.00880

Câu hỏi thường gặp

Điện thế gợi thính giác N100 là gì?

N100 là một độ lệch âm trong điện não đồ xuất hiện khoảng 100 mili giây sau khi âm thanh bắt đầu, với đỉnh của nó nằm trên các vùng da đầu trung tâm phía trước. Nó đại diện cho một phản hồi vỏ não bắt buộc đánh dấu thời điểm thông tin âm thanh di chuyển từ các trạm chuyển tiếp dưới vỏ não vào các tính toán vỏ não sớm.

N100 khác với các sóng muộn hơn như P300 hay N400 như thế nào?

P300 và N400 phản ánh các quá trình nhận thức bậc cao hơn như cập nhật ngữ cảnh và tích hợp ngữ nghĩa, trong khi N100 nằm ở một ngã rẽ chức năng trung gian. Vị trí này cho phép N100 ghi lại quá trình chuyển đổi giữa phát hiện cảm giác tự động và sự phân bổ sớm nhất các tài nguyên chú ý.

Sự lặp lại và kỳ vọng ảnh hưởng đến N100 như thế nào?

Chỉ riêng sự lặp lại đã triệt tiêu các phản hồi thính giác rất sớm trong cửa sổ 40-60 mili giây, trong khi kỳ vọng hợp lệ triệt tiêu một cách chọn lọc các phản hồi trong cửa sổ 100-200 mili giây chứa N100. Khi một âm thanh được mong đợi dựa trên các mô hình thống kê đã học, N100 thu nhỏ lại; khi âm thanh xung đột với kỳ vọng, N100 lớn lên.

Lọc cảm giác là gì và N100 được sử dụng như thế nào để đo lường nó?

Lọc cảm giác là cơ chế lọc tự động của não nhằm ngăn thông tin dư thừa tràn ngập các hệ thống nhận thức cao hơn. Trong các mô hình nhấp đúp, một hệ thống lọc khỏe mạnh sẽ tạo ra một N100 nhỏ hơn đáng kể đối với tiếng click thứ hai, và sự chênh lệch biên độ nhỏ hơn hoặc tỷ lệ lọc lớn hơn sẽ chỉ ra cơ chế lọc bị suy giảm.