Các nhà khoa học mới đây đã tiến thêm một bước quan trọng trong việc giải mã cách bộ não giao tiếp, khi phát triển thành công một loại protein đặc biệt có khả năng ghi lại các “thông điệp hóa học” mà tế bào thần kinh nhận vào, thay vì chỉ quan sát những tín hiệu mà chúng phát ra như trước đây.

Trọng tâm của bước đột phá nằm ở glutamate, chất dẫn truyền thần kinh phổ biến và quan trọng bậc nhất trong não. Glutamate giữ vai trò then chốt trong các quá trình như học tập, trí nhớ và cảm xúc. Tuy nhiên, các tín hiệu liên quan đến glutamate thường rất yếu, diễn ra cực nhanh và khó nắm bắt, khiến giới khoa học gặp nhiều hạn chế trong việc đo lường trực tiếp.

Công cụ mới cho phép phát hiện các tín hiệu hóa học này ngay thời điểm chúng vừa xuất hiện, giúp các nhà nghiên cứu lần đầu tiên “nghe” được những thông điệp đi vào tế bào não, phần giao tiếp then chốt nhưng lâu nay gần như vô hình.

Vì sao phát hiện này đặc biệt quan trọng?

Việc quan sát được các tín hiệu đi vào giúp giới khoa học hiểu sâu hơn cách tế bào thần kinh xử lý thông tin. Mỗi tế bào não có thể nhận hàng nghìn tín hiệu đầu vào từ các tế bào khác, và chính cách nó tổng hợp, chọn lọc các tín hiệu này sẽ quyết định việc có phát ra tín hiệu tiếp theo hay không.

Quá trình này được xem là nền tảng của tư duy, trí nhớ và việc ra quyết định. Do đó, khả năng theo dõi trực tiếp cách các tín hiệu đầu vào được xử lý có thể giúp lý giải cách não bộ thực hiện những “phép tính” phức tạp nhất.

Không chỉ dừng lại ở hiểu biết cơ bản, tiến bộ này còn mở ra triển vọng lớn trong nghiên cứu bệnh lý thần kinh. Rối loạn trong truyền tín hiệu glutamate có liên quan đến nhiều tình trạng như Alzheimer, tâm thần phân liệt, tự kỷ, động kinh và các bệnh thần kinh khác. Khi đo lường chính xác hơn các tín hiệu này, các nhà khoa học có thể lần ra nguồn gốc sinh học của nhiều rối loạn, từ đó hướng tới các biện pháp can thiệp hiệu quả hơn.

Lĩnh vực phát triển thuốc cũng được kỳ vọng hưởng lợi. Các công ty dược phẩm có thể sử dụng cảm biến mới để đánh giá trực tiếp tác động của các liệu pháp thử nghiệm lên hoạt động synap – nơi diễn ra giao tiếp giữa các tế bào thần kinh – qua đó rút ngắn quá trình tìm kiếm thuốc điều trị.

Cảm biến glutamate thế hệ mới

Loại protein mang tính đột phá này được thiết kế bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Allen (Mỹ) và Cơ sở Nghiên cứu Janelia thuộc Viện Y khoa Howard Hughes (HHMI). Nó có tên là iGluSnFR4 (phát âm là “glue sniffer”), hoạt động như một “chỉ số glutamate” ở cấp độ phân tử.

Với độ nhạy vượt trội, iGluSnFR4 có thể phát hiện cả những tín hiệu glutamate yếu nhất tại các khớp thần kinh. Công cụ này cho phép xác định chính xác thời điểm và vị trí glutamate được giải phóng, từ đó giúp giải mã các mô hình hoạt động phức tạp của não bộ liên quan đến học tập, trí nhớ và cảm xúc.

Quan trọng hơn, iGluSnFR4 cho phép các nhà khoa học theo dõi quá trình giao tiếp giữa các tế bào thần kinh trong não sống theo thời gian thực. Những kết quả nghiên cứu đầu tiên đã được công bố trên tạp chí Nature Methods và được kỳ vọng sẽ thay đổi đáng kể cách đo lường cũng như phân tích hoạt động thần kinh trong khoa học thần kinh hiện đại.

Tế bào não “trò chuyện” với nhau như thế nào?

Bộ não con người chứa hàng tỷ tế bào thần kinh, giao tiếp với nhau thông qua các tín hiệu điện và hóa học. Khi một tín hiệu điện truyền dọc theo sợi trục của tế bào thần kinh và đến điểm cuối, nó không thể vượt qua khoảng trống nhỏ để sang tế bào thần kinh kế tiếp. Khe hở nhỏ này gọi là khớp thần kinh (synapse).

Thay vào đó, tín hiệu điện sẽ kích hoạt việc giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh vào khớp thần kinh. Glutamate là chất phổ biến nhất trong số các thông điệp hóa học này. Khi glutamate gắn vào tế bào thần kinh kế tiếp, nó có thể kích hoạt tế bào đó phát tín hiệu mới, tiếp tục chuỗi truyền thông tin trong não.

Quá trình giao tiếp thần kinh thường được ví như những quân cờ domino đổ liên tiếp, nhưng trên thực tế phức tạp hơn rất nhiều. Mỗi tế bào thần kinh chỉ phát tín hiệu khi nhận được những tổ hợp đầu vào nhất định từ hàng nghìn tế bào khác.

Trước đây, việc quan sát trực tiếp các tín hiệu đi vào này trong mô não sống gần như là bất khả thi. Các công nghệ cũ hoặc là quá chậm, hoặc không đủ nhạy để theo dõi hoạt động ở từng khớp thần kinh riêng lẻ. Do đó, các nhà khoa học chỉ có thể nhìn thấy những “mảnh vụn” của quá trình giao tiếp.

Với iGluSnFR4, các nhà khoa học lần đầu tiên có thể quan sát trọn vẹn “cuộc hội thoại” này, từ tín hiệu đi vào cho đến phản ứng của tế bào thần kinh.

Mở ra một “cửa sổ” mới vào não bộ

Tiến sĩ Kaspar Podgorski, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà khoa học cấp cao tại Viện Allen, cho biết:

“Điều này giống như việc đọc một cuốn sách mà các từ bị xáo trộn, bạn không biết thứ tự hay cách chúng liên kết với nhau. Tôi cảm thấy những gì chúng tôi đang làm là bổ sung các kết nối giữa những tế bào thần kinh đó, để giờ đây chúng tôi hiểu được trật tự của các ‘từ’ và ý nghĩa của toàn bộ trang sách”.

Theo ông, trước khi có các cảm biến protein như iGluSnFR4, giới khoa học chủ yếu chỉ đo được các tín hiệu đi ra từ tế bào thần kinh, trong khi các tín hiệu đi vào thì quá nhanh và quá yếu để ghi nhận.

“Chúng tôi có những phương pháp khá tốt để đo các kết nối cấu trúc giữa tế bào thần kinh, và trong những thí nghiệm riêng lẻ, có thể biết một số tế bào đang ‘nói’ gì. Nhưng việc kết hợp hai loại thông tin này lại rất khó. Thật khó xác định tế bào nào đang nói chuyện với tế bào nào”, Podgorski nói. “Công cụ chúng tôi phát minh ra chính là cách đo lường thông tin đi vào từ nhiều nguồn khác nhau. Đây là một mảnh ghép quan trọng còn thiếu của khoa học thần kinh”.

Theo tiến sĩ Jeremy Hasseman từ Cơ sở Nghiên cứu Janelia của HHMI, thành công của iGluSnFR4 là kết quả của sự hợp tác chặt chẽ giữa nhiều nhóm nghiên cứu.

“Nghiên cứu khởi đầu tại Janelia với nhóm Dự án GENIE và phòng thí nghiệm của Kaspar, sau đó được mở rộng với các thí nghiệm in vivo xuất sắc do nhóm Động lực học Thần kinh của Viện Allen thực hiện. Đây là ví dụ điển hình cho thấy sự hợp tác giữa các phòng thí nghiệm và viện nghiên cứu có thể thúc đẩy những khám phá đột phá trong khoa học thần kinh”, ông nhấn mạnh.

Bằng việc vượt qua rào cản lớn trong khả năng quan sát trực tiếp cách tế bào thần kinh tiếp nhận thông tin, iGluSnFR4 mang đến cho khoa học thần kinh một công cụ mạnh mẽ chưa từng có.

Hiện loại protein này đã sẵn sàng cho cộng đồng nghiên cứu thông qua kho lưu trữ toàn cầu Addgene, cho phép nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới tiếp cận và ứng dụng.

Khi công nghệ này được phổ biến rộng rãi, nó được kỳ vọng sẽ giúp giới khoa học tiến gần hơn tới việc trả lời những câu hỏi hóc búa lâu đời nhất về cách bộ não con người hoạt động, suy nghĩ và ghi nhớ.