Cả giới khoa học và chúng ta phải cảm ơn một chú chuột không tên yểu mệnh

Ngày xửa ngày xưa, có một chú chuột đen. Không may khi được 9 tháng tuổi, chú chuột đen qua đời. Sau đó, một vài người đàn ông và phụ nữ lấy phần não của chú và cắt thành từng lát mỏng hơn sợi tinh thể. Sau vài năm, những người đó quan sát tất cả các miếng cắt. Họ nhận ra rằng một vài miếng liên kết với những phần khác. Và những người đó đã công bố những gì họ nhìn thấy trên một tạp chí.

Với những bức hình đẹp.

Đây là câu chuyện có thật về một bộ não. Đó là một phần nỗ lực nhằm liên kết cấu trúc của bộ não với tính năng của nó – một câu hỏi mà vì nó hàng loạt chú chuột đã hy sinh. Nhưng bộ não này - một khối thể tích 450/450/150 micromet nằm trong vỏ não – là chủ đề để các nhà nghiên cứu cho ra đời mạng nơ ron liên kết lớn nhất từng được bản đồ hóa.

Bức hình chụp mạng nơ ron thần kinh liên kết sử dụng công nghệ 3D

Vậy chú chuột nào đã hiến dâng thân mình cho công việc đó? “Tôi sẽ không nói ra cái tên đó”, nhà thần kinh học Clay Reid, một trong những tác giả của bản đồ thần kinh đã phát biểu trên tờ Nature. “Đó chỉ là những chữ cái và những con số. Nhưng nó tạo nên chú chuột này”.

“Chú chuột này”

Reid và các đồng sự tại Harvard và viện khoa học não Allen đã quan sát bộ não của chú chuột này trong vòng nhiều năm. 36 người đã sử dụng 2 phương pháp khác nhau để lần ra con đường của 1,278 nơ ron liên kết và kết nối những dấu vết với các thanh nhọn của nơ ron khi họ đang xử lý những thông tin hình ảnh. Trong thời gian dài, việc kết hợp hai loại dữ liệu sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu được cơ chế tổ chức của bộ não.

Phần đầu tiên của quá trình khá phức tạp. Trong nhiều nghiên cứu nhằm cứu tái hiện cấu trúc não, các nhà nghiên cứu đã đặt các điện cực nhỏ trong các lát cắt mô não, sau đó tiến hành đo điện áp. Tiếp theo, họ sẽ tái hiện lại các kết nối bằng cách xem xét một xung điện hoạt hóa như thế nào. Tuy nhiên, những nhà nghiên cứu muốn biết nơ ron có chức năng gì bên trong não.

Để làm điều đó, họ thay thế một phần xương sọ của chuột với lớp vỏ thủy tinh - một cách để quan sát não của chúng khi còn sống. Những nơ ron của chuột này đã bị biến đôi gen. Chúng có một gen giúp tạo ra một loại protein có thể phát sáng khi canxi tiếp cận gần bởi vì sự xuất hiện một hình nhọn trong canxi là dấu hiệu của việc phóng nơ ron. Sử dụng kính hiển vi để quan sát qua lớp sọ, các nhà nghiên cứu có thể thấy các nơ ron phóng tia trong khoảng thời gian rất ngắn qua các mô đám mây bên trong não. Trong lúc đó, con chuột thì đang xem một đoạn video, mà thực chất là một dạng kính hiển vi.

Điều đáng buồn là sau hai tuần quan sát, chú chuột qua đời. Nhóm nghiên cứu tiến hành bảo quản não của nó để phục vụ công tác sau này.

Những chú chuột được sử dụng trong việc nghiên cứu mạng nơ ron thần kinh

Một ông vua Pharaoh hẳn sẽ rất tự hào nếu có được phương pháp ướp não mà chú chuột này có sau khi chết. Các nhà nghiên cứu bảo quản não của chuột trong dung dịch formaldehyde với các chất hóa học khác và cắt phần não ra làm 3700 lớp siêu mỏng với độ dày chưa đầy 50 nanomet. Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua chuyên dụng, họ đã tạo nên những hình ảnh chi tiết của mỗi lát cắt. Không chỉ nhìn thấy các nơ ron – bạn có thể thấy các túi nhỏ, các khoang chứa các chất dẫn truyền thần kinh giúp kích hoạt một liên kết thần kinh và gửi đi tin nhắn.

“Việc giải phẫu thành công thì… rất đẹp, bạn biết đấy?”, Reid nói. “Sau khi tiến hành, bạn sẽ thấy một mô hình giải phẫu đẹp. Nó rất rõ ràng, sắc nét và bạn có thể thấy mọi thứ”.

Nhóm nghiên cứu sau đó đã vẽ lại chúng. Phần quan trọng nhất của mô hình giải phẫu chuột là chúng giúp việc lần theo dấu liên kết của các nơ ron trở nên dễ dàng với nhóm nghiên cứu gồm gần 30 sinh viên. Tất cả các lát cắt chồng lên nhau sẽ được tích hợp vào hình vẽ 3D, như việc xếp các lát của quả cả chua trở về nguyên bản.

Những con chuột khác

Đây là một phần của câu chuyện cổ tích khi người anh hùng phải chờ đợi rất lâu để thấy điều kì diệu xảy ra. Công việc sắp xếp lại các lát cắt não mất vài năm, nhưng khi hoàn thành, nhóm nghiên cứu có hai bộ cơ sở dữ liệu rất quý giá. Mô hình não chuột có 50 nhóm nơ ron trung tâm, được mô tả dựa trên các chức năng khác nhau, sử dụng dữ liệu từ việc theo dõi can xi và các kính hiển vi. Những nơ ron này sẽ kết nối với hàng trăm các nơ ron khác. Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình của 990 khớp thần kinh – các điểm nỗi giữa các nơ ron - và họ sẽ sớm đưa ra những nguyên tắc đầu tiên về cấu trúc nơ ron.

Con số này có vẻ vẫn còn khá khiêm tốn. Việc tái tạo những phần rất nhỏ của não chuột tốn rất nhiều thời gian. Nhưng nếu các nhà khoa học cùng làm, con số trên có thể nâng lên. “Có nhiều nhà khoa học nói với tôi và các đồng nghiệp rằng tại sao chúng tôi làm điều này, có quá nhiều thông tin cần phải làm”, Reid nói. 5 năm trước, khi nhóm của Reid công bố kết quả trên tạp chí Nature, bản đồ mà họ phác họa chỉ có 10 nhóm liên kết.

Tuy nhiên, sẽ còn rất nhiều việc mà các nhà khoa học phải làm để vẽ lại thành công các liên kết trong não người

Tuy nhiên, nếu giới khoa học muốn tấm bản đồ này phát triển rộng hơn, mọi thứ sẽ phải thay đổi. “Mỗi người luôn có giấc mơ tái kết cấu một khối cubic, như thể một đơn vị chức năng hoàn thiện, và sẽ có hàng tỉ các liên kết trong đó”, Reid nói. ”Chúng ta sẽ không bao giờ có thể làm thế với não người”.

Đó là lí các nhà khoa học máy tính đang nghiên cứu để phát triển những thuật toán tự động theo dấu và các phần mềm đồ họa có thể đọc những bức hình. Với sự giúp đỡ đó, các nhà thần kinh học sẽ có thể tái tạo bản đồ với 10.000, 100.000 hoặc thậm chí nhiều các kết nối trong não hơn.

Và con người sẽ sống hạnh phúc mãi mãi về sau.

Tuy nhiên, có lẽ lũ chuột sẽ không vui vẻ vì điều này.