Hình 10. Ví dụ về bản ghi điện não đồ hoạt động thần kinh hải mã và diện CA1 ở chế độ theta (khi thức/hành xử) và LIA (giấc ngủ sóng chậm). Mỗi sơ đồ hiển thị dữ liệu ghi được trong 20 giây, với đường điện não ở hải mã phía trên cùng, các đỉnh gai được ghi từ 40 tế bào chóp ở miền giữa diện CA1 (mỗi dòng đại diện cho một tế bào) và biểu đồ tốc độ chạy ở phía dưới. Biểu đồ ở trên chỉ khoảng thời gian mà chuột tích cực tìm kiếm viên thức ăn. Biểu đồ dưới cùng theo dõi trạng thái ngủ của chuột.

Hải mã cho thấy hai "chế độ" hoạt động chính, mỗi chế độ liên quan đến một mô hình hoạt động của quần thể nơron (neuronal ensemble) và sóng hoạt động điện riêng biệt được đo bằng điện não đồ (EEG). Các "chế độ" này được đặt tên theo các đường đi trên bản EEG liên kết với chúng: theta và hoạt động bất thường biên độ lớn (LIA). Các đặc điểm chính được mô tả dưới đây được nghiên cứu trên loài động vật được nghiên cứu rộng rãi nhất, chuột.[84]

Chế độ sóng theta xuất hiện trong trạng thái hoạt động để cảnh báo hành vi (đặc biệt là vận động) và trong giấc ngủ mắt chuyển động nhanh REM.[85] Ở chế độ sóng theta, điện não đồ bị chi phối bởi các sóng lớn thông thường với dải tần từ 6 đến 9 Hz và các nhóm nơron chính vùng hải mã (tế bào chóp và tế bào hạt) cho thấy hoạt động quần thể nơron khá thưa thớt, chứng tỏ rằng trong bất kỳ khoảng thời gian ngắn nào, phần lớn tế bào đều ở trạng thái im lặng, trong khi phần nhỏ tế bào còn lại phóng điện thế với tốc độ tương đối cao, có thể lên tới 50 gai trong một giây. Mỗi tế bào hoạt động thường duy trì hoạt động trong nửa giây đến vài giây. Khi nghiên cứu trên chuột, các tế bào hoạt động luân phiên nhau, tỷ lệ phần trăm tế bào hoạt động rất ít thay đổi. Trong nhiều tình huống, hoạt động của tế bào được xác định chủ yếu bởi vị trí không gian của động vật, nhưng các biến cố hành vi cũng có ảnh hưởng rõ ràng.[86]

Chế độ hoạt động bất thường biên độ lớn (LIA) xuất hiện trong giấc ngủ sóng chậm (không mơ màng) và cả trong trạng thái thức giấc nhưng bất động như nghỉ ngơi hoặc ăn uống.[85] Trong chế độ LIA, điện não đồ bị chi phối bởi các sóng nhọn kéo dài trong 25–50 miligiây (ms). Sóng nhọn tạo ra theo bộ, mỗi bộ chứa tối đa 5 hoặc nhiều sóng nhọn riêng lẻ và kéo dài tới 500 ms. Hình dạng gai của nơron hải mã có mối tương quan cao với hình dạng sóng nhọn. Hầu hết nơron giảm tốc độ phóng điện giữa các sóng nhọn; tuy nhiên, trong một đợt sóng nhọn, tốc độ phóng tăng lên đáng kể ở 10% quần thể nơron vùng hải mã.[86]

Hai chế độ hoạt động vùng hải mã này quan sát ở linh trưởng và chuột, tuy nhiên sóng theta ở linh trưởng không rõ ràng. Sóng nhọn và những thay đổi phụ thuộc trạng thái trong hoạt động quần thể nơron vẫn quan sát rõ.[86]

Nhịp theta

Hình 11. Ví dụ về sóng theta trong điện não đồ với thời gian một giây.

Sóng theta được tạo ra chủ yếu bởi các lớp thần kinh dày đặc của vỏ não nội khứu, diện CA3 và sợi nhánh của tế bào chóp. Sóng theta là một trong những tín hiệu lớn nhất được thấy trên điện não đồ và gọi là nhịp theta hải mã.[87] Trong một số trường hợp, điện não đồ bị chi phối bởi các sóng thường ở dải tần 3 đến 10 Hz, thường tiếp tục trong nhiều giây. Chúng phản ánh điện thế màng dưới ngưỡng và điều chỉnh mạnh mẽ đỉnh gai ở các nơron hải mã và đồng bộ hóa trên hải mã theo mô hình sóng di chuyển.[88] Mạch ba synapse (trisynaptic circuit) là sự chuyển tiếp của dẫn truyền thần kinh ở vùng hải mã tương tác với nhiều vùng não. Từ các nghiên cứu trên loài gặm nhấm, có đề xuất cho rằng mạch ba synapse tạo ra nhịp theta hải mã.[89]

Nhịp theta thấy rất rõ ràng ở thỏ, loài gặm nhấm, mèo và chó. Liệu nhịp theta thấy được ở các loài linh trưởng vẫn còn chưa rõ ràng.[90] Ở chuột (động vật được nghiên cứu rộng rãi nhất), nhìn thấy nhịp theta khi thỏa mãn hai điều kiện:

1. khi động vật đang đi hoặc tương tác tích cực với môi trường xung quanh.
2. trong giấc ngủ mắt chuyển động nhanh REM.[91]

Nhiều lý thuyết đã được đề xuất song chức năng của nhịp theta vẫn chưa được giải thích một cách thuyết phục.[84] Giả thuyết phổ biến nhất liên quan đến học tập và trí nhớ. Một ví dụ: tại thời điểm kích thích nơron, nhịp theta định hình tác động của sự kích thích đó lên synapse. Tức là nhịp theta có thể ảnh hưởng đến học tập và trí nhớ phụ thuộc vào tính mềm dẻo synapse (synaptic plasticity).[92] Tính chất này đã chứng minh được rằng các tổn thương của nhân đuôi trong (medial septum, nút trung tâm của hệ thống theta) gây ra sự gián đoạn nghiêm trọng của trí nhớ.[93] Nhân đuôi trong không chỉ điều khiển nhịp theta; đây cũng là nguyên ủy chính của các sợi chiếu cholinergic đến hải mã.[21] Tuy nhiên tính mềm dẻo nêu trên lại không làm sáng tỏ được rằng các tổn thương vùng nhân đuôi phát huy tác dụng bằng cách làm mất nhịp theta.[94]

Sóng nhọn

Trong khi ngủ hoặc nghỉ ngơi, khi động vật không đáp ứng với môi trường xung quanh, điện não đồ hồi hải mã cho thấy một mô hình sóng chậm bất thường, biên độ lớn hơn một chút so với sóng theta. Mô hình này đôi khi bị gián đoạn bởi các đợt lớn được gọi là sóng nhọn.[95] Hiện tượng này có liên quan với các đợt xuất hiện đỉnh gai trong điện não đồ kéo dài 50 đến 100 mili giây trong các tế bào chóp thuộc diện CA3 và diện CA1. Nó cũng liên quan tới các dao động điện não đồ tần số cao, thời gian ngắn, được gọi là "gợn" (ripple), với tần số trong phạm vi 150 đến 200 Hz ở chuột, và tồn tại cùng nhau gọi là sóng "Sharp wave-ripples” (SWRs). Sóng nhọn hay xuất hiện nhất trong khi ngủ với tốc độ trung bình khoảng 1 nhịp/giây (ở chuột) nhưng trong một mô hình thời gian rất bất thường. Sóng nhọn ít thấy hơn trong trạng thái thức không hoạt động và có cường độ nhỏ hơn. Sóng nhọn cũng quan sát thấy ở người và khỉ. Trong khỉ, sóng nhọn rất mạnh nhưng không thường xuyên như chuột.[86]

Một trong những khía cạnh thú vị nhất của sóng nhọn là chúng có liên quan tới bộ nhớ. Wilson và McNaughton (1994)[96] và nhiều nghiên cứu sau đó đã báo cáo rằng khi các tế bào chỗ ở hải mã có các trường phóng điện không gian chồng chéo (và do đó thường phóng ra gần như đồng thời). Chúng có xu hướng hiển thị lại các hoạt động tương quan trong khi ngủ sau khi đáp ứng hành vi. Sự tăng cường tính tương quan này, thường được gọi là tái kích hoạt, đã được tìm thấy xảy ra chủ yếu trong các sóng nhọn.[97] Trên thực tế, người ta đã đề xuất rằng sóng nhọn là sự tái kích hoạt các mô hình hoạt động thần kinh được ghi nhớ trong quá trình hoạt động, được thúc đẩy bằng cách tăng cường các kết nối synapse trong vùng hải mã.[98] Ý tưởng này tạo thành một tiền đề chính của lý thuyết "trí nhớ hai giai đoạn", được Buzsáki và nhiều người ủng hộ, trong đó đề xuất rằng các ký ức được lưu trữ trong vùng hải mã trong khi đáp ứng hành vi và sau đó được chuyển đến vùng tân vỏ não (neocortex) trong khi ngủ. Trong lý thuyết Hebbian, các sóng nhọn được xem là sự kích thích lặp đi lặp lại liên tục của các tế bào synapse cho và synapse nhận nhằm thúc đẩy các thay đổi synapse chỗ đích đến của sợi ra hồi hải mã, chính là vỏ não.[99] Việc chặn sóng nhọn và gợn trong giấc ngủ hoặc khi bất động có thể gây trở ngại cho các ký ức thể hiện ở mức độ hành vi.[100][101] Dù sao, tế bào chỗ mới ở diện CA1 có thể xuất hiện lại ngay cả sau khi sóng nhọn và gợn bị chặn đối với nhiệm vụ không đòi hỏi tư duy không gian.[102]

Điện thế hóa dài hạn

Thời Ramon y Cajal (1852 - 1934), các nhà tâm lý học đã suy đoán rằng não lưu trữ trí nhớ bằng cách thay đổi sức mạnh kết nối giữa các nơron hoạt động đồng thời.[103] Ý tưởng này đã được Donald Hebb chính thức hóa vào năm 1949,[104] nhưng không giải thích được. Vào năm 1973, Tim Bliss và Terje Lømo mô tả một hiện tượng ở hải mã thỏ có đáp ứng với các thông số kỹ thuật mà Hebb đề xuất: sự thay đổi trong đáp ứng synapse gây ra bởi kích thích mạnh, ngắn và sự thay đổi này kéo dài hàng giờ, nhiều ngày hoặc lâu hơn.[105] Hiện tượng này gọi là điện thế hóa dài hạn (long-term potential, LTP). Với tư cách là một cơ chế tiền năng để giải thích về trí nhớ dài hạn, LTP được nghiên cứu chuyên sâu và nghiệm ra được rất nhiều điều. Tuy nhiên, sự phức tạp và đa dạng của các tầng tín hiệu nội bào, vốn có thể kích thích LTP, chính là rào cản để nghiên cứu đầy đủ hơn.[106]

Hải mã là một chi tiết giải phẫu đặc biệt thuận lợi để nghiên cứu LTP vì lớp nơron dày đặc và dễ dàng xác định. Nhưng các type thay đổi synapse phụ thuộc hoạt động cũng quan sát thấy ở nhiều vùng não khác.[107] Dạng LTP hay nghiên cứu nhất đã được phát hiện trong diện CA1 hải mã, xảy ra tại các synapse trên gai răng (dendritic spine) và sử dụng chất dẫn truyền thần kinh glutamate.[106] Sự thay đổi synapse phụ thuộc vào một loại thụ thể glutamate đặc biệt, thụ thể N -methyl-D-aspartate (NMDA), một thụ thể bề mặt tế bào có đặc tính đặc biệt là cho phép canxi xâm nhập vào gai synapse nhận khi khử cực. Các loại thuốc can thiệp vào thụ thể NMDA ngăn chặn LTP có tác dụng chính đối với một số loại trí nhớ, đặc biệt là trí nhớ không gian. Chuột biến đổi gen được chỉnh sửa vật liệu di truyền nhằm vô hiệu hóa cơ chế LTP có bộ nhớ suy giảm nghiêm trọng.[108]