DMCA.com Protection Status

Những kỹ thuật mới và cũ trong khoa học thần kinh hiện đại  quan tâm

Được đăng bởi: Ẩn danh

Cập nhật lúc 20:44 ngày 28/12/2017

Sử dụng điện cực và kẹp ráp nối (patch clamp) trong chụp ảnh và thao tác não bộ là phương pháp truyền thống nhưng vẫn cần thiết cho tới thời điểm hiện tại.

Vào giữa những năm 1980, György Buzsáki đã cố gắng nghiên cứu về não chuột. Tại Đại học California, San Diego, ông gây tê mỗi con chuột với ete và giảm thân nhiệt sau đó cắt qua da đầu và khoan lỗ trên hộp sọ của nó. Sau đó ông cẩn thận vặn 16 điện cực làm bằng thép không gỉ mạ vàng vào não chuột. Khi gắn xong, những mẫu kim loại nhỏ này - đường kính 0,5 mm – cho phép ông đo được sự thay đổi điện thế trong các nơron thần kinh nằm sâu trong nếp gấp của não, cả khi chuột tỉnh dậy và di chuyển. Ông có thể nghe điện thế hoạt động của tế bào khi chuột khám phá môi trường xung quanh, học tập và ghi nhớ những gì đã gặp phải.

Lúc này, việc ghi âm lại sự tương tác giữa hai tế bào là chuẩn mực. Ông cho biết nghiên cứu năm 1988 ở Buzsáki, ghi nhận sự thay đổi trên 16 vùng khác nhau trên não chuột là nghiên cứu lớn nhất từng được thực hiện. Ngày nay, các nhà khoa học có thể cùng lúc đo được sự thay đổi điện thế từ 1,000 nơron bằngphương pháp đa điện cực silicon (silicon multielectrode arrays). Tuy nhiên những kỹ thuật cơ bản sử dụng một đầu dò để đo hoạt động điện trong não (điện sinh lý) hoặc từ bên ngoài não (điện não đồ, EEG) vẫn là công việc chính của phòng thí nghiệm chụp ảnh thần kinh. "Các công cụ mới không thay thế hoàn toàn cho cái cũ, chúng chỉ góp phần bổ sung và cải tiến thêm" Jessica Cardin, một nhà thần kinh học tại Trường Y Yale cho biết.

Một kỹ thuật cũ ở những thập kỷ trước vẫn còn phổ biến ngày nay là kẹp ráp nối. Được phát triển vào khoảng cuối những năm 1970 đầu những năm 1980, kỹ thuật này có thể nhận biết sự thay đổi điện áp của từng tế bào hay thậm chí là các kênh ion. Với một pipet thủy tinh nhỏ gắn vào màng tế bào, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra một lỗ nhỏ, được bịt kín bởi pipet, và phát hiện sự thay đổi điện thế bên trong tế bào. Với nhiều sự cải tiến, kỹ thuật kẹp ráp nối, giống như điện sinh lý và điện não đồ vẫn là những công cụ cơ bản của khoa học thần kinh. Gần đây, các nhà nghiên cứu đã có thể thực hiện công việc này bằng robot.

Tuy nhiên, kỹ thuật kẹp ráp nối là kỹ thuật xâm lấn, chỉ có thể làm việc với các tế bào đơn lẻ và không thể thực hiện trong thời gian dài bởi vì quá trình này có thể cản trở hoạt động bình thường của tế bào. Thay vào đó, một số nhà khoa học sử dụng một phương pháp được mô tả đầu tiên vào nửa thế kỷ trước –chụp ảnh canxi (calcium imaging) - ít xâm lấn hơn, bền hơn và khả năng tiếp cận cao hơn. Khi điện thế hoạt động lan truyền đến cuối sợi trục, ion canxi sẽ đi vào trong tế bào. Để xác định được thời điểm việc này xảy ra, các nhà khoa học sử dụng những phân tử có khả năng phát quang khi chúng gặp canxi.

Những nỗ lực ban đầu gặp khó khăn, tuy nhiên các kỹ thuật này dần được phổ biến rộng sau khi cảm biến canxi và kỹ thuật kính hiển vi được cải thiện trong những năm 1990 và đầu những năm 2000. Cảm biến canxi sử dụng phổ biến nhất hiện nay là gen mã hóa cho chất thỉ thị canxi (GECI) GCamP6, đây là gen kết hợp protein huỳnh quang màu xanh lá cây và protein gắn canxi vào calmodulin. Các protein phát sáng như tia sét nhỏ khi một tế bào thần kinh hoạt động. Một diện tích hộp sọ mỏng của động vật được sử dụng làm "cửa sổ sọ", các nhà khoa học có thể quan sát các hoạt động xảy ra khi nào và ở đâu trên lớp ngoài của vỏ não. "Bạn có thể quan sát trên một con chuột còn sống các chức năng bình thường. Khi đầu chuột được cố định ở một chỗ nhưng nó vẫn có thể chạy trên máy chạy bộ” David Prince, một nhà thần kinh học tại đại học Stanford cho biết. "Bạn có thể phát hiện các tín hiệu huỳnh quang trong não chuột, cố gắng liên hệ những thay đổi này với sự thay đổi trong hành vi của nó. "

Cảm biến canxi cũng có nhược điểm là chỉ đo được những thay đổi trong hoạt động điện trong thời gian từ 50 tới 100 mili giây, trong khi một điện thế hoạt động xảy ra chỉ trong 1 phần nghìn giây. Mặt khác kẹp ráp nối và các điện cực khác có thể đo được từng điện thế đơn.

Để hiểu hơn về cách bộ não làm việc, các nhà khoa học đã phát triển các kỹ thuật mới giúp quan sát cấu trúc của não. Điển hình là vào năm ngoái, tập hợp các nhà thần kinh học của MIT, Ed Boyden và đồng nghiệp của ông đã giới thiệu kính hiển vi mở rộng (expansion microscopy), với khả năng quan sát mẫu mô não ở độ phóng đại 100 lần kích thước bình thường, trong khi vẫn giữ nguyên trật tự sắp xếp của các phân tử. Với việc bổ sung các thiết bị thăm dò đa màu sắc, nhóm nghiên cứu có thể quan sát cấu trúc các tế bào và các khớp thần kinh trong vùng dưới đồi (hippocampus) ở não chuột ở kích thước nano. Hiểu biết về giải phẫu não sẽ giúp bạn hiểu cách bộ não làm việc, như Boyden đã nói. "Nếu bạn có đầy đủ thông tin về giải phẫu, bạn sẽ hiểu được chức năng của não ."

Điều khiển bộ não

Thao tác với não cũng có thể làm sáng tỏ cách thức hoạt động của bộ não. Vào cuối những năm 1960, Jose Delgado của Đại học Yale đặt các điện cực trong não để làm thay đổi hành vi cảm xúc của một con tinh tinh tên Paddy. Máy tạo một cảm giác khó chịu theo mô hình cụ thể của hoạt động trong hạch hạnh nhân (amygdala) của Paddy. Sau sáu ngày kích thích lặp đi lặp lại, Paddy trở nên chán nản, và mô hình hoạt động giảm 99 phần trăm. Paddy phục hồi sau hai tuần, nhưng khi Delgado lặp lại thí nghiệm, Paddy lại tiếp tục buồn rầu. "Những gì ông ấy làm thật đáng kinh ngạc," Buzsáki, tại Đại học New York cho biết, vì Delgado có thể lắng nghe và thao tác chính xác các sóng não trong một thời đại mà ống chân không được coi là công nghệ cao.

Trong hơn 50 năm qua, tuy ngày càng có nhiều điện cực nhỏ gọn và chính xác, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục sử dụng kích thích điện để thao tác hoạt động thần kinh với mục tiêu hiểu rõ chức năng của não. Kích thích từ xuyên sọ, hoặc áp dụng một từ trường không xâm lấn ở ngoài đầu, đã được sử dụng để tìm hiểu về nền tảng sinh lý của các bệnh thần kinh và xác định phương pháp điều trị trên mô hình động vật. Theo sau Delgado, Buzsáki và các đồng nghiệp của ông đã xóa sạch các hoạt động thần kinh chịu trách nhiệm cho việc củng cố những ký ức ban ngày khi chuột ngủ. "Chúng không nhớ gì vào ngày hôm sau, mặc dù có một giấc ngủ ngon," ông nói.

Năm 2005, một phát minh mang tính quyết định cho điện cực và từ trường xuất hiện đó là kiểm soát tế bào thần kinh bằng ánh sáng. Boyden, cùng với Karl Deisseroth Stanford và các đồng nghiệp đã chèn các kênh ion tảo có khả năng cảm ứng  ánh sáng vào các tế bào thần kinh ở động vật có vú. Họ dùng ánh sáng (photon) điều khiển hoạt động của tế bào thần kinh trong môi trường nuôi cấy, các nhà nghiên cứu đã sớm sử dụng phương pháp này thử nghiệm trên vật thể sống. Tạp chí Nature đã bầu chọn đây là Phương pháp của năm 2010Quang di truyền - Optogenetics cho phép các nhà nghiên cứu điều khiển từng loại tế bào cụ thể. Kỹ thuật này đã được sử dụng trên chuột để thay đổi hoặc kích hoạt một bộ nhớ, ngừng cơn động kinh và ức chế hành vi hung hăng.

Một kỹ thuật khác dựa trên hóa học, không phải ánh sáng đó là cung cấp các thụ thể gắn với protein G - G-coupled receptor (tạo ra thông qua quá trình phát triển định hướng trên tế bào não của động vật). Sau đó, bằng cách tiêm một phối tử tổng hợp (các phân tử gắn với thụ thể - ligand) vào cơ thể, các nhà khoa học có thể làm nơron hoạt động hoặc im lặng. Năm ngoái, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Maryland đã sử dụng cách tiếp cận này, được gọi là thụ thể thiết kế chỉ bị kích hoạt bởi loại thuốc thiết kế (DREADDs) - để phá vỡ khả năng học hỏi của chuột, tránh trở thành một con chuột hung hăng.

Để giúp các nhà thần kinh học tìm kiếm và thực hiện công việc của mình, sự mở rộng và đa dạng hóa các công cụ là điều rất quan trọng. "Chúng tôi hy vọng rằng chúng ta có thể sớm giải mã các bí ẩn của bộ não", Boyden nói. "Và để làm được điều đó, chúng ta phải có một bản đồ bộ não hoàn thiện, để có thể quan sát cách não bộ hoạt động và kiểm soát nó".

Sự phát triển của các kỹ thuật trong khoa học thần kinh theo thời gian.

Bản đồ thần kinh

Mặc dù hiện nay các nhà nghiên cứu đã có nhiều công cụ để ghi lại đồng thời hàng trăm tế bào thần kinh hay thao tác trên các tế bào não của động vật gặm nhấm, nhưng bộ não con người vẫn là một bí ẩn lớn. Với con số 86 tỷ tế bào thần kinh liên kết bởi 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, bộ não nặng xấp xỉ ba pound vẫn còn là một câu đố.

Chụp cộng hưởng từ (MRI), được sử dụng lần đầu tiên trên người vào năm 1977, cho phép các nhà nghiên cứu có được hình ảnh cấu trúc của bộ não người bằng phương pháp không xâm lấn. MRI dễ thực hiện hơn so với phương pháp chụp cắt lớp phát xạ (positron emission tomography-PET) trước đó vì PET được thực hiện bằng cách tiêm thuốc chứa chất phóng xạ vào tĩnh mạch để đánh giá hoạt động của não.

Nhưng điều đã đưa MRI thành một trụ cột của hình ảnh thần kinh là ở chẩn đoán chức nămg qua hình ảnh (fMRI). Năm 1990, Seiji Ogawa, tại AT & T Bell Laboratories, và các đồng nghiệp cho thấy máu đã khử oxy phản ứng khác nhau đối với một từ trường, và điều này có thể được sử dụng như một tác nhân tương phản nội bộ để nhìn thấy thay đổi trong não. Các nhà nghiên cứu có thể chẩn đoán đơn giản dựa trên fMRI, dựa trên sự tăng lưu lượng lên của máu được oxy hóa ở các vùng khác nhau của não như một hoạt động thần kinh.

Một kỹ thuật mới của MRI là cộng hưởng từ khuếch tán. Kỹ thuật này dựa vào sự di chuyển của phân tử nước biểu diễn chuyển động Brown trên sợi trục của tế bào thần kinh, trong đó có nhiều khả năng khuếch tán dọc theo cấu trúc dạng sợi của sợi trục chứ không phải vuông góc. Phương pháp này vạch ra quỹ đạo của bó sợi thần kinh giữa các vùng chất xám, nơi dày đặc các cơ quan tế bào thần kinh. Viện Y tế quốc gia Mỹ tài trợ dự án Human Connectome đang sử dụng kỹ thuật MRI khuếch tán và những kỹ thuật kể trên để kết nối bản đồ bộ não, tạo thành một hình ảnh với số lượng sao còn nhiều hơn trên bầu trời.

Tài liệu tham khảo:

Alison F. Takemura, “New and Old Techniques in Modern Neuroscience”, The Scientist, October 1, 2016.

Lược dịch Lê Văn Trình- Nguyễn Thị Minh Thanh

Biên tập Biomedia Việt Nam