Những phát hiện mới về các tế bào não bộ

Làm thế nào để con người và các loài động vật khác tìm được đường đi từ vị trí A đến vị trí B? Đây rõ ràng là một câu hỏi đơn giản nhưng lại không dễ trả lời. Tuy nhiên, sau hàng thập kỷ nghiên cứu tổng quát, một bức tranh cho thấy cách mà não bộ mã hóa không gian và qua đó cho phép chúng ta định hướng đang dần mở ra. Trước đó, các nhà khoa học về thần kinh đã thấy rằng não của động vật có vú chứa ít nhất là 3 loại tế bào khác nhau. Chúng kết hợp với nhau để mã hóa các đại diện nơ ron thần kinh xác định vị trí và sự chuyển động của con vật.

Tuy nhiên, bức tranh mới này đã cho thấy một sự thật còn phức tạp hơn thế. Nghiên cứu mới hiện nay chỉ ra sự tồn tại của 2 loại tế bào não nữa cũng tham gia vào việc định hướng không gian – điều này cho thấy rằng các cơ chế thần kinh chưa được nhận ra trước đó chính là cơ sở để các loài động vật có vú di chuyển.

Nghiên cứu trước đây được thực hiện trên các loài động vật gặm nhấm di chuyển tự do, tiết lộ rằng các nơ ron thần kinh được gọi là “tế bào chỗ” kích hoạt khi một con vật đang ở một vị trí cụ thể. Một loại khác – được gọi là “tế bào lưới” thì hoạt động định kỳ khi con vật di chuyển vòng quanh. Cuối cùng, “tế bào phụ trách phương hướng đầu kích hoạt khi con chuột di chuyển theo một phương hướng cụ thể”. Các tế bào này, nằm phía trong và xung quanh của một cấu trúc sâu bên trong não được gọi là đồi hải mã, đã cùng nhau mã hóa vị trí hiện tại của con vật bên trong môi trường xung quanh nó bằng cách theo dõi khoảng cách và hướng chuyển động của nó.

Quá trình này phù hợp với những chuyển động vòng quanh đơn giản, nhưng nó không giải thích chính xác cách một người có thể đi đến một điểm cụ thể. Câu hỏi làm thế nào mà bộ não có thể mã hóa được đích đến của một hành trình vẫn chưa có lời giải đáp.

Để điều tra việc này, Ayelet Sarel của Viện Khoa học Weismann, Israel và các đồng nghiệp của bà đã huấn luyện ba con dơi quả Ai Cập bay theo những cung đường phức tạp và sau đó đậu xuống một chỗ cụ thể, nơi mà chúng có thể ăn và nghỉ ngơi. Các nhà nghiên cứu đã ghi lại hoạt động của tổng cộng 309 nơ ron thần kinh ở vùng đồi hải mã bằng một hệ thống các điện cực. Khoảng 1 phần 3 số nơ ron này đã phô bày đặc tính của các tế bào chỗ, mỗi tế bào này sẽ được kích hoạt chỉ khi con dơi ở trong một vùng cụ thể của một căn phòng lớn. Nhưng các nhà nghiên cứu cũng nhận dạng được 58 tế bào mà chỉ được kích hoạt khi những con dơi bay thẳng đến khu vực mà chúng sẽ đậu xuống.

Theo lời Nachum Ulanovsky, tác giả chính của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học tuần này: “Chúng tôi đã phát hiện ra một loại nơ ron thần kinh hoàn toàn mới, được gọi là ‘các tế bào chỉ dẫn mục tiêu’. Ông nói thêm rằng, phát hiện này đã “giúp chúng ta có thêm hiểu biết quan trọng về cơ sở định hướng của các nơ ron thần kinh” bằng cách giải thích làm thế nào mà bộ não mã hóa được các mục tiêu đã được định hướng trước đó.

Các tế bào mới vẫn tiếp tục kích hoạt khi điểm đến bị ẩn khỏi tầm nhìn của những con dơi bằng một tấm rèm. “Những con dơi biết rằng mục tiêu ở đâu nhưng lại không thể định vị được bằng tiếng vang hay nhìn thấy được điểm đó đằng sau tấm rèm, nhưng các nơ ron thần kinh chỉ dẫn mục tiêu vẫn hình dung ra được điểm đến đã bị ẩn đi đó. Điều này có nghĩa là sự hình dung về các mục tiêu trong vùng đồi hải mã của dơi không chỉ đơn thuần là dựa vào cảm giác, mà còn dựa vào bộ nhớ.

Nhà khoa học về thần kinh Hugo Spiers từ trường đại học London, người nghiên cứu cơ sở tế bào của sự định hướng không gian, phát biểu rằng các phát hiện này “có ý nghĩa cực kỳ quan trọng”, tuy vậy ông lại không nghĩ rằng các nơ ron thần kinh chỉ dẫn mục tiêu là một loại tế bào mới. “Đối với tôi, các kết quả này cho thấy rằng các tế bào chỗ có khả năng xử lý thông tin đa dạng hơn các quan điểm trước đây” ông nói.

Tuy nhiên, các phát hiện mới này đã lặp lại kết quả nghiên cứu chụp quét não bộ được công bố bởi Spiers và những đồng nghiệp của ông trong năm 2014. Nó cho thấy rằng vùng đồi hải mã trong não người chứa một hệ thống chỉ dẫn linh hoạt mà có thể mã hóa cả khoảng cách đến mục tiêu theo đường chim bay và khoảng cách thật sự mà chúng ta phải đi. “Điều đó thật bất ngờ,” Spiers nói. “Nhưng nghiên cứu này mới chỉ coi đó là hệ thống thuộc cấp tế bào.” Những phát hiện này có thể giải thích lý do tại sao các con chuột bị tổn thương vùng đồi hải mã sẽ gặp khó khăn trong việc ghi nhớ vị trí của một địa điểm mà bị ẩn đi. Trong hàng loạt thí nghiệm khác, Sarel và những đồng nghiệp của bà đã nhận dạng được một quần thể các nơ ron của vùng đồi hải mã được cho là để tính toán và mã hóa khoảng cách tới mục tiêu. Các tế bào “khoảng cách mục tiêu này” chỉ được kích hoạt mạnh mẽ khi những con dơi còn cách điểm đến khoảng 2m.

Trong một nghiên cứu riêng biệt khác mới được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience, Jacob Olson của trường Đại học California, San Diego và các đồng nghiệp của mình đã ghi lại hoạt động thần kinh ở vùng đồi hải mã của những con chuột khi chúng chạy dọc suốt 6 tuyến đường thông với nhau giống như một mạng lưới của thành phố, hoặc chạy xung quanh một không gian mở.

Các nhà khoa học thấy rằng có 47 trong 542 tế bào mà hoạt động của chúng đã điều chỉnh mạnh mẽ đến hướng đi cụ thể, và chỉ được kích hoạt khi những con chuột di chuyển theo 1 trong 2 hướng. Ví dụ, vài nơ ron thần kinh hoạt động một cách có chọn lọc khi những con chuột di chuyển từ nam đến bắc hoặc ngược lại, tuy nhiên chúng lại không được kích hoạt khi những con chuột chạy theo mỗi hướng đông-tây. Các nơ ron khác được kích hoạt để đáp ứng sự di chuyển theo nhiều hướng, nhưng vẫn chỉ trong quỹ đạo 180 độ.

Olson và các đồng nghiệp của ông tranh luận rằng những tế bào thần kinh "điều chỉnh theo trục" khác biệt với các tế bào phụ trách phương hướng đầu, bởi vì chúng chỉ kích hoạt khi con chuột di chuyển dọc theo đường dẫn cụ thể và không hoạt động khi những con chuột di chuyển xung quanh không gian mở. Ngược lại, các tế bào phụ trách phương hướng đầu được kích hoạt khi chuột di chuyển trong không gian mở theo các hướng cụ thể. Nhưng một nghiên cứu khác gần đây đã cung cấp bằng chứng cho thấy các tế bào phụ trách phương hướng đầu có khả năng mã hóa các hướng ngược nhau, vì vậy tế bào thần kinh điều chỉnh theo trục trong thực tế có thể chính là tế bào phụ trách phương hướng đầu, mặc dù những tế bào khác thì đang thực hiện một chức năng nào đó mà ta không biết.

Tất cả điều này tạo nên “hệ thống định vị - GPS của não” thậm chí còn phức tạp hơn chúng ta nghĩ trước đây. Nghiên cứu mới của Olson cho thấy vùng đồi hải mã hình dung ra quỹ đạo bằng cách mã hóa các trục đường, và sự hình dung trong đầu có thể cho phép chúng ta đi đúng hướng cho dù gặp phải trở ngại chắn đường. Các nghiên cứu ở dơi tiếp tục cho thấy rằng vùng đồi hải mã không chỉ mã hóa vị trí bằng cách theo dõi khoảng cách và hướng chuyển động, mà còn mã hóa sự hình dung về cả hướng đi và khoảng cách đến đích. Do đó hệ thống định vị của não bộ sẽ có một "tín hiệu dẫn đường", và được phủ cho các tế bào thần kinh có mục tiêu tìm kiếm riêng của mình.

Quỳnh Chi (Theo Nature America)