Sợi trục thần kinh có thật sự trơn như trong sách giáo khoa?

Một số sợi trục thần kinh không phải những ống trơn đều như hình minh họa quen thuộc. Khi cấu trúc tế bào được bảo toàn bằng phương pháp đông lạnh áp suất cao, các nhà nghiên cứu thấy dọc sợi trục không có myelin xuất hiện những chỗ phình nhỏ, lặp lại như chuỗi ngọc. Đây không đơn thuần là các khớp thần kinh hay dấu hiệu tế bào đang chết. Nghiên cứu trên neuron chuột cho thấy hình dạng ấy có thể thay đổi theo hoạt động điện và góp phần điều chỉnh tốc độ tín hiệu. Phát hiện này đồng thời nhắc rằng cách chuẩn bị mẫu có thể quyết định một cấu trúc vi mô hiện ra trước mắt nhà khoa học như thế nào. [1]

“Chuỗi ngọc” khác gì các chỗ phình đã biết?

Sợi trục là phần kéo dài của neuron, có nhiệm vụ đưa tín hiệu điện tới những tế bào khác. Hình vẽ kinh điển thường mô tả nó như một ống hẹp khá đồng đều, thỉnh thoảng có chỗ phình chứa chất dẫn truyền thần kinh tại vị trí liên lạc giữa các tế bào. Những chỗ phình mà nhóm Johns Hopkins Medicine quan sát lại nhỏ hơn, phân bố lặp lại và không phải khớp thần kinh. Họ gọi chúng là các chỗ phình không thuộc khớp thần kinh, hay “non-synaptic varicosities”. [1]

Sự phân biệt này đặc biệt quan trọng vì hình dạng giống chuỗi hạt từ lâu còn gắn với tổn thương. Neuron đang chết hoặc chịu ảnh hưởng của một số bệnh thoái hóa thần kinh có thể xuất hiện các đoạn phình rõ, đi kèm hư hại màng tế bào và bộ khung bên trong. Công trình mới không phủ nhận hiện tượng bệnh lý đó. Nó cho thấy ở những sợi trục được nghiên cứu còn có một dạng “xâu ngọc” nhỏ hơn, có thể thuộc cấu trúc bình thường. Vì vậy, chỉ nhìn thấy chỗ phình chưa đủ để kết luận sợi trục đã bị tổn thương. [1]

Vì sao hình dạng này từng khó nhận ra?

Muốn chụp cấu trúc nhỏ hơn rất nhiều so với bề rộng sợi tóc, kính hiển vi điện tử cần một mẫu đủ ổn định. Quy trình thông thường thường cố định mô bằng hóa chất rồi loại nước. Các bước này thuận tiện cho việc quan sát, nhưng cũng có thể làm biến dạng chính đối tượng cần nghiên cứu. Một ống mềm ở kích thước nano có thể co lại, phẳng đi hoặc mất những dao động nhỏ trên bề mặt trước khi ảnh được ghi. [1]

Nhóm nghiên cứu sử dụng kính hiển vi điện tử kết hợp đông lạnh áp suất cao để giữ hình dạng gần trạng thái ban đầu hơn. Dạng chuỗi ngọc xuất hiện trong neuron nuôi cấy, neuron của chuột trưởng thành và neuron phôi chuột, qua hàng chục nghìn ảnh mô. Quan trọng hơn, kỹ thuật chụp độ phân giải cao trên neuron sống cũng ghi nhận hình dạng tương tự. Sự đối chiếu này làm giảm khả năng các “hạt” chỉ là sản phẩm phụ do quá trình đông lạnh tạo ra. [1]

Trường hợp này cho thấy ảnh hiển vi không phải một cửa sổ hoàn toàn trung tính. Nhà khoa học thường phải cố định, nhuộm, cắt hoặc làm lạnh mẫu trước khi nhìn thấy nó; mỗi thao tác đều có thể giữ lại một số đặc điểm và làm mờ những đặc điểm khác. Vì thế, một hình vẽ tồn tại lâu trong sách không nhất thiết sai hoàn toàn, nhưng có thể đã đơn giản hóa cấu trúc vì dựa trên những gì kỹ thuật ở thời điểm đó cho phép quan sát. [1]

Bộ khung protein có tạo ra các “hạt” không?

Manh mối ban đầu đến từ việc Shigeki Watanabe nhận thấy các đoạn phình lặp lại trên sợi trục của giun. Một giả thuyết hợp lý là bộ khung protein bên trong sợi trục đóng vai trò như khuôn, buộc màng tế bào phình ra theo nhịp. Các thành phần bộ khung có tính lặp lại từng được một nhóm tại Harvard mô tả năm 2012, nên nhóm Johns Hopkins thử làm gián đoạn hệ thống này để xem chuỗi ngọc có biến mất hay không. Kết quả là các chỗ phình vẫn còn. [1]

Thí nghiệm ấy chuyển sự chú ý sang cơ học của màng bao quanh sợi trục. Mô hình toán học tương đối đơn giản đã tái tạo được những nét chính của chuỗi ngọc, gợi ý rằng độ căng và độ cứng của màng có thể tự tạo nên hình dạng mà không cần một chiếc khuôn cứng bên trong. Khi nồng độ đường trong dung dịch quanh sợi trục tăng, các vùng phình nhỏ lại. Mô hình cũng dự đoán rằng tăng sức căng màng sẽ tạo ra thay đổi cùng chiều. [1]

Có thể hình dung một ống mềm chứa chất lỏng: hình dạng của nó không chỉ phụ thuộc vào vật chống đỡ bên trong mà còn do áp lực hai phía và tính chất của thành ống. So sánh này chỉ giúp hình dung nguyên lý chung; màng neuron phức tạp hơn nhiều. Điểm cốt lõi là cấu trúc sợi trục có thể xuất hiện từ sự tương tác giữa màng, môi trường xung quanh và vật chất bên trong, thay vì do một bộ phận duy nhất quyết định. [1]

Hình dạng ảnh hưởng tín hiệu điện ra sao?

Tín hiệu truyền dọc sợi trục phụ thuộc vào chuyển động của các ion và đặc tính điện của màng. Một vùng rộng có thể tạo thêm không gian cho ion, nhưng chuỗi ngọc còn gồm cả những đoạn nối hẹp. Vì vậy, không thể suy ra đơn giản rằng hạt càng lớn thì tín hiệu càng nhanh. Kích thước của cả chỗ phình lẫn đoạn thắt, cùng tính chất màng, mới tạo nên đường truyền hoàn chỉnh. Những đoạn hẹp có thể đóng vai trò như điểm hạn chế dòng chuyển động, tương tự nút thắt trên một tuyến đường. [1]

Cholesterol là một cách để nhóm nghiên cứu điều chỉnh tính chất của màng. Khi loại bớt cholesterol, màng trở nên mềm và linh động hơn; cấu trúc chuỗi ngọc thay đổi, đồng thời tốc độ truyền tín hiệu điện giảm. Kết quả giữa thí nghiệm và mô hình cùng chỉ về một mối liên hệ: hình học vi mô không chỉ là đặc điểm bề ngoài mà có thể tham gia điều chỉnh hoạt động của sợi trục. [1]

Bản thân hoạt động điện cũng tác động ngược lại hình dạng. Sau kích thích điện tần số cao, các vùng phình dài hơn trung bình 8% và rộng hơn 17% so với trước kích thích; sự nở rộng kéo dài ít nhất 30 phút. Tín hiệu sau đó truyền chậm hơn, với ảnh hưởng được ghi nhận trong ít nhất một giờ. Đây là thay đổi trung bình trong điều kiện thí nghiệm trên các sợi trục được khảo sát, không phải một tỷ lệ áp dụng cho mọi neuron trong não. [1]

Phát hiện này áp dụng tới đâu?

Nghiên cứu năm 2024 tập trung vào các sợi trục không có lớp myelin của chuột. Một công trình liên quan sau đó ghi nhận sợi trục dạng chuỗi ngọc trong mô vỏ não người lấy trong phẫu thuật động kinh, qua đó cho thấy hình dạng này không chỉ xuất hiện ở chuột. Tuy nhiên, quan sát ở mô người chưa chứng minh mọi loại sợi trục đều có cùng cấu trúc hoặc các “hạt” luôn tác động giống nhau tới tín hiệu trên toàn bộ não. [1]

Câu hỏi tiếp theo không còn chỉ là sợi trục trơn hay có hạt. Điều đáng tìm hiểu là những loại sợi trục nào mang hình dạng này, nó biến đổi ra sao khi neuron hoạt động, và đâu là ranh giới giữa thay đổi sinh lý với chỗ phình do tổn thương. Một nét vẽ dạng ống vẫn hữu ích để trình bày đường đi của tín hiệu, nhưng ở cấp độ nano, “dây dẫn” của neuron có thể là một cấu trúc mềm, biến đổi và tham gia tích cực vào việc định thời thông tin. [1]