Bí ẩn 50 năm được giải mã: Camera nano của Trung Quốc ghi lại khoảnh khắc các tế bào thần kinh 'hôn nhau'

Sau hơn nửa thế kỷ tranh luận, cuối cùng các nhà khoa học cũng đã chứng kiến tận mắt khoảnh khắc kỳ diệu khi các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau, đây là một quá trình diễn ra trong chưa đầy một phần nghìn giây. Nhờ công nghệ hình ảnh tiên tiến do Trung Quốc phát triển, thế giới nay đã biết chính xác cách não bộ "nói chuyện" giữa hàng tỷ tế bào thần kinh.

Phát hiện mang tính đột phá này, vừa được công bố trên tạp chí Science , đã chấm dứt cuộc tranh luận kéo dài hơn 50 năm trong giới khoa học thần kinh về cơ chế giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, yếu tố then chốt giúp não bộ xử lý thông tin.

15 năm nghiên cứu để nhìn thấy điều chưa từng ai thấy

Bộ não con người hoạt động dựa trên sự giao tiếp cực kỳ chính xác giữa hàng tỷ tế bào thần kinh. Mỗi tế bào này truyền tín hiệu thông qua các túi synap, những túi siêu nhỏ chứa các chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters). Khi một tín hiệu thần kinh đến, túi này giải phóng chất hóa học sang tế bào kế bên, giúp tín hiệu được truyền đi.

Tuy nhiên, điều khiến giới khoa học tranh cãi suốt hàng thập kỷ là: liệu các túi synap có hòa nhập hoàn toàn vào màng tế bào, gọi là cơ chế "sụp đổ hoàn toàn" (full-collapse fusion), hay chỉ chạm nhẹ và rút lui nhanh chóng, theo mô hình "hôn và chạy" (kiss-and-run).

Vấn đề nằm ở chỗ: quá trình này diễn ra ở quy mô nanomet (một phần tỷ mét) và trong vài phần nghìn giây, khiến việc ghi lại bằng kính hiển vi truyền thống gần như không thể.

Để vượt qua giới hạn đó, nhóm nghiên cứu do Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) phối hợp cùng Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã dành 15 năm phát triển một công nghệ hình ảnh hoàn toàn mới.

Kết quả là một hệ thống chụp cắt lớp điện tử đông lạnh phân giải thời gian (cryo-ET) ra đời, một "máy ảnh nano" có thể chụp lại các hoạt động của tế bào thần kinh với độ phân giải nanomet và tốc độ mili giây.

Lần đầu tiên ghi lại "nụ hôn" của các tế bào thần kinh

Sử dụng công nghệ này, nhóm đã kết hợp kích thích quang di truyền (kích hoạt tế bào thần kinh bằng ánh sáng) và đóng băng tốc độ cao, từ đó ghi lại hơn 1.000 ảnh cắt lớp của khớp thần kinh vùng hải mã trên chuột, đây là khu vực não liên quan đến học tập và trí nhớ.

Các bức ảnh cho thấy một chuỗi sự kiện vô cùng tinh tế: trong 4 mili giây đầu tiên sau khi tế bào được kích hoạt, túi synap bắt đầu hình thành một lỗ hợp nhất nhỏ rộng chỉ khoảng 4 nanomet, giống như một "nụ hôn" ngắn ngủi. Sau đó, cấu trúc này thu nhỏ lại một nửa, rồi trong vòng 70 mili giây, phần lớn túi tách ra và được tái chế, trong khi một số khác hòa nhập hoàn toàn vào màng tế bào.

Quá trình này được mô tả bằng mô hình "hôn - co - chạy" (kiss - shrink - run), dung hòa hai giả thuyết từng đối lập. Nó cho thấy việc truyền tín hiệu thần kinh không hẳn chỉ là chạm thoáng qua, cũng không phải luôn hợp nhất hoàn toàn, mà là một cơ chế linh hoạt và tối ưu về tốc độ lẫn hiệu quả.

Một bước tiến lịch sử của khoa học thần kinh

Theo Stella Hurtley, phó tổng biên tập của tạp chí Science , phát hiện này "đã thống nhất các mô hình cạnh tranh về giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, đồng thời giúp làm sáng tỏ nền tảng của hiệu quả và độ tin cậy trong truyền thông tin giữa các khớp thần kinh".

Còn theo thông cáo của USTC, công nghệ này không chỉ giải quyết được một bí ẩn sinh học tồn tại suốt 50 năm, mà còn "mở ra một góc nhìn hoàn toàn mới trong việc hiểu rõ cách não bộ xử lý thông tin, hình thành ký ức và liên quan đến các bệnh lý thần kinh".

Đặc biệt, nền tảng hình ảnh nano này có thể ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu nhiều quá trình sinh học nhanh khác, chẳng hạn như xâm nhập của virus, sự tiết hormone hoặc các phản ứng nội bào tức thời, những điều trước đây hầu như không thể quan sát được trực tiếp.

Khoa học thần kinh bước vào kỷ nguyên mới

Trong suốt nhiều thập kỷ, khoa học thần kinh vẫn phải dựa vào các mô hình suy luận và thí nghiệm gián tiếp để mô tả cách các tế bào thần kinh "nói chuyện" với nhau. Nhưng giờ đây, nhờ công nghệ hình ảnh cực nhanh và chính xác đến từng nanomet, con người đã có thể "nhìn thấy" tận mắt những khoảnh khắc bí ẩn nhất trong hoạt động của bộ não.

Những hình ảnh đầu tiên về "nụ hôn thần kinh" không chỉ khép lại một chương dài trong lịch sử nghiên cứu não bộ, mà còn mở ra một kỷ nguyên mới, nơi các hoạt động vi mô của tế bào có thể được theo dõi, phân tích và hiểu rõ hơn bao giờ hết.

Từ một khoảnh khắc nhỏ bé kéo dài chưa đến một phần nghìn giây, nhân loại đã tiến thêm một bước dài trên hành trình khám phá cỗ máy tinh vi nhất trong vũ trụ, đó là bộ não con người.