Bước đột phá trong nghiên cứu não bộ
03/06/25
 |
| Một loại tế bào được các nhà khoa học lập bản đồ, được gọi là tế bào Martinotti, phát ra các tín hiệu ức chế làm giảm hoạt động của các tế bào thần kinh khác trong não |
Các nhà khoa học vừa đạt được “cột mốc lịch sử” khi hoàn thành việc ghi lại hoạt động và cấu trúc của 200.000 tế bào trong não chuột cùng 523 triệu kết nối thần kinh giữa chúng. Đây là thành tựu chưa từng có, mở ra triển vọng nghiên cứu sâu hơn về bộ não phức tạp của con người.
Bộ não con người vốn quá phức tạp khiến các nhà khoa học hàng đầu trong lĩnh vực thần kinh học phải bó tay. Chỉ riêng một khối não nhỏ bằng hạt cát cũng chứa hàng trăm nghìn tế bào thần kinh được nối với nhau bằng “hàng dặm” dây thần kinh siêu nhỏ. Năm 1979, Francis Crick, nhà khoa học đoạt giải Nobel, từng kết luận rằng cấu trúc và hoạt động của chỉ một khối não có thể vượt quá khả năng hiểu biết của con người. Ông viết: “Không nên mong đợi điều không thể.”
Tuy nhiên, sau 46 năm, hơn 100 nhà khoa học đã làm được điều tưởng chừng không thể: ghi lại hoạt động tế bào và bản đồ cấu trúc của một khối não chuột chỉ bằng 1 mm³ – chưa đến 1% thể tích toàn bộ não. Họ thu thập được khối dữ liệu lên tới 1,6 petabyte, tương đương 22 năm xem video độ nét cao liên tục.
 |
| Một phần nhỏ các tế bào thần kinh được lập bản đồ trong một milimét khối não chuột |
Davi Bock, nhà thần kinh học tại Đại học Vermont, nhận định đây là một “cột mốc quan trọng”. Ông cho rằng với những tiến bộ này, việc lập bản đồ toàn bộ mạng lưới kết nối trong não chuột hoàn toàn khả thi và đáng để thực hiện.
Hơn 130 năm trước, nhà khoa học thần kinh người Tây Ban Nha Santiago Ramón y Cajal lần đầu tiên quan sát được các tế bào thần kinh qua kính hiển vi và miêu tả hình dạng đặc trưng của chúng. Sau đó, thế hệ các nhà khoa học kế tiếp đã hiểu được cách các tế bào này truyền tín hiệu điện qua các nhánh dài gọi là “sợi trục” (axon) và liên hệ với các “nhánh cây” nhỏ (dendrite) của tế bào lân cận. Một số tế bào kích thích các tế bào khác phát tín hiệu điện, trong khi một số lại kìm hãm.
Ý thức con người phát sinh từ sự kết hợp phức tạp giữa kích thích và ức chế này, nhưng cách thức cụ thể vẫn là bí ẩn lớn, bởi các nghiên cứu trước đây chỉ có thể theo dõi một vài tế bào thần kinh cùng lúc.
Những thập niên gần đây, công nghệ cho phép các nhà khoa học bắt đầu bản đồ hóa toàn bộ bộ não. Năm 1986, nhóm nghiên cứu Anh đã công bố sơ đồ kết nối của một con giun nhỏ với 302 tế bào thần kinh. Sau đó, người ta tiến tới bản đồ não ruồi với 140.000 tế bào.
 |
| Một lớp tế bào thần kinh đơn lẻ, bên trái, với mỗi khớp thần kinh đầu vào được đánh dấu bằng màu trắng; và một "tế bào đèn chùm", được đặt tên như vậy vì các sợi trục của nó được sắp xếp theo chiều dọc |
Năm 2016, chính phủ Mỹ khởi động dự án trị giá 100 triệu USD với mục tiêu quét một khối não chuột 1 mm³. Dự án MICrONS (Machine Intelligence from Cortical Networks) do Viện Allen về Khoa học Não, Đại học Princeton và Đại học Baylor dẫn đầu đã tập trung nghiên cứu vùng não chuột xử lý tín hiệu từ mắt, tái tạo hình ảnh mà chuột nhìn thấy.
Giai đoạn đầu, nhóm nghiên cứu ghi lại hoạt động của các tế bào khi chuột xem các video về cảnh quan khác nhau. Sau đó, họ tách lấy khối não đó, xử lý hóa chất cứng lại, rồi cắt mỏng thành 28.000 lát nhỏ để chụp ảnh từng lát. Các máy tính được huấn luyện nhận diện đường viền tế bào trên mỗi lát và ghép nối lại thành các mô hình ba chiều. Kết quả, nhóm nghiên cứu lập bản đồ chính xác 200.000 tế bào thần kinh và các loại tế bào khác cùng 523 triệu kết nối giữa chúng.
Nuno da Costa, nhà sinh học tại Viện Allen và là một trong những người dẫn đầu dự án, chia sẻ rằng việc thấy các tế bào hình thành trên màn hình máy tính “thật ngoạn mục và đầy thú vị”.
Để hiểu chức năng của mạng lưới thần kinh này, nhóm đã so sánh dữ liệu hoạt động thu được khi chuột xem video với cấu trúc mạng lưới. Nuno da Costa ví điều này như việc tham dự một bữa tiệc có 80.000 người mà bạn có thể nghe được mọi cuộc trò chuyện nhưng không biết ai nói với ai; rồi lại có khả năng biết ai đang nói chuyện với ai nhưng không hiểu họ nói gì. Khi kết hợp hai dữ liệu này, câu chuyện về bữa tiệc mới rõ ràng hơn nhiều.
Phân tích dữ liệu cũng hé lộ nhiều quy luật chưa từng thấy, như sự tồn tại của các loại tế bào ức chế thần kinh đặc thù chỉ kết nối với một số loại tế bào nhất định. Mariela Petkova, nhà vật lý sinh học tại Harvard, nhận định: “Não bộ có vẻ phức tạp vô tận, nhưng việc tìm ra quy luật kết nối rõ ràng là một thành công lớn, chứng tỏ não bộ không rối rắm như người ta tưởng.”
Nhiều thành viên của dự án MICrONS hiện đang tham gia một mục tiêu lớn hơn: lập bản đồ toàn bộ não chuột. Với thể tích khoảng 500 mm³, não chuột sẽ mất hàng thập kỷ hoặc thậm chí hàng thế kỷ để hoàn thành với phương pháp hiện tại. Do đó, các nhà khoa học cần phát minh thêm nhiều kỹ thuật mới để có thể hoàn thành trong vòng một thập kỷ.
Gregory Jefferis, nhà thần kinh học tại Cambridge, gọi những nỗ lực hiện tại là “anh hùng” nhưng cũng nhấn mạnh “đường còn dài và đầy thử thách”. Forrest Collman, thành viên nhóm MICrONS tại Viện Allen, lạc quan khi mới đây họ đã tìm ra cách cắt mỏng toàn bộ não chuột một cách hiệu quả. “Một số rào cản kỹ thuật đang được xóa bỏ,” ông nói.
Tuy nhiên, não người, với kích thước gấp khoảng 1.000 lần não chuột, vẫn là thách thức lớn hơn nhiều. “Não người hiện tại vẫn nằm ngoài khả năng nghiên cứu,” Collman nhận định, “và chúng ta chưa thể đến gần nó trong thời gian ngắn.”
Sebastian Seung, nhà thần kinh học tại Princeton và là thành viên MICrONS, chỉ ra rằng não chuột và não người tương đồng đủ để giúp các nhà nghiên cứu tìm ra manh mối điều trị các rối loạn tâm lý hiệu quả hơn, giảm tác dụng phụ. Ông nói: “Phương pháp hiện nay rất thô sơ: đưa thuốc vào thì nó đi khắp nơi. Nhưng nếu có thể tác động chính xác từng loại tế bào thì đó là sự chính xác tuyệt đối.”
Dự án lập bản đồ toàn bộ não chuột được hỗ trợ tài chính bởi chương trình lâu dài của Viện Y tế Quốc gia Mỹ (NIH) mang tên BRAIN Initiative. Tuy nhiên, tương lai của chương trình này đang bị đe dọa khi Quốc hội Mỹ cắt giảm 40% ngân sách năm ngoái và mới đây Tổng thống Trump tiếp tục giảm thêm 20%. Davi Bock nhấn mạnh rằng các dự án như MICrONS cần nguồn tài chính ổn định và dài hạn, vì chúng đòi hỏi thời gian dài cùng việc phát minh công nghệ và phần mềm mới.
shared via nytimes,
