Từ điểm mắt của tảo lục đến công tắc ánh sáng điều khiển tế bào não

Trong bộ não người có gần 90 tỷ tế bào thần kinh liên kết với nhau qua khoảng 100 nghìn tỷ điểm kết nối. Mạng lưới chằng chịt này giúp con người tư duy, ghi nhớ và phản ứng với môi trường xung quanh, nhưng cũng đặt ra một bài toán hóc búa cho giới khoa học: làm thế nào để bật hoặc tắt chính xác một nhóm tế bào cụ thể nhằm quan sát hành vi tương ứng? Lời giải cho câu hỏi lớn của y học thần kinh không xuất phát từ các thiết bị vi điện tử phức tạp, mà lại bắt nguồn từ một phát hiện trên loài tảo đơn bào Chlamydomonas. Từ cơ chế tự nhiên giúp tảo nhận biết ánh sáng để bơi lội, các nhà khoa học đã phát triển nên công nghệ quang di truyền (optogenetics), mở ra khả năng điều khiển từng mạch não bằng những chùm sáng thuôn nhỏ. [1]

Khát vọng tìm kiếm chiếc công tắc giữa mạng lưới thần kinh

Để hiểu rõ từng chức năng của bộ não, các nhà nghiên cứu cần một công cụ có khả năng tác động trực tiếp lên từng mạch tế bào thần kinh cụ thể mà không làm xáo trộn các khu vực lân cận. Nhiều nhà nghiên cứu thần kinh từ lâu đã ước mơ về một "công tắc" có thể bật hoặc tắt các neuron với độ chính xác cao, như lời giải thích của nhà nghiên cứu thần kinh Abdel El Manira thuộc Viện Karolinska ở Stockholm. [1]

Nếu không có công cụ điều khiển chính xác, việc xác định neuron nào chịu trách nhiệm cho một hành vi hay cảm xúc nhất định giống như việc cố tìm một sợi dây điện hỏng trong toàn bộ hệ thống lưới điện toàn cầu. Các phương pháp kích thích dòng điện truyền thống thường tác động lên cả một vùng mô não rộng lớn, khiến kết quả thu được bị nhiễu và khó phân lập chức năng riêng lẻ của từng nhóm tế bào. [1]

Bí mật nằm trong điểm mắt của tảo lục Chlamydomonas

Bước ngoặt đầu tiên xuất hiện vào đầu những năm 2000, khi hai nhà vật lý sinh học Peter Hegemann (khi đó công tác tại Viện Hóa sinh Max Planck ở Martinsried) và Georg Nagel (khi đó tại Viện Sinh lý học Thần kinh Max Planck ở Frankfurt) tiến hành nghiên cứu loài tảo lục đơn bào Chlamydomonas. Sinh vật nhỏ bé này sở hữu một điểm mắt giúp nó nhận biết hướng ánh sáng để di chuyển đến nơi quang hợp tốt nhất. [1]

Hegemann và Nagel đã phát hiện ra một protein đặc biệt trong điểm mắt của tảo, được đặt tên là channelrhodopsin. Khi chiếu ánh sáng vào, protein này mở ra như một lỗ hổng màng tế bào, cho phép các ion mang điện tích dương tràn vào bên trong. Sự di chuyển của các ion này lập tức tạo ra một xung điện, kích hoạt bộ máy di chuyển của vi tảo. Chiếc cổng ion đóng mở bằng ánh sáng này chính là cơ chế mở/tắt mà giới nghiên cứu thần kinh khao khát từ lâu. [1]

Từ đĩa petri đến sợi quang xuyên qua hộp sọ

Kế thừa phát hiện về channelrhodopsin, nhà nghiên cứu thần kinh Karl Deisseroth tại Đại học Stanford đã nảy ra ý tưởng đưa loại protein này vào bộ não động vật. Deisseroth cùng các cộng sự bắt đầu bằng việc chèn gene mã hóa channelrhodopsin vào các tế bào thần kinh nuôi cấy từ chuột trong phòng thí nghiệm. Kết quả cho thấy các tế bào này phản ứng tức thì khi được chiếu sáng. [1]

Sau thành công trên đĩa nuôi cấy, nhóm nghiên cứu chuyển sang thử nghiệm trên động vật sống. Họ đưa gene mã hóa protein vào các tế bào thần kinh cụ thể trong não chuột, đồng thời gắn các sợi quang học siêu nhỏ xuyên qua hộp sọ của chúng. Khi chiếu chùm ánh sáng xanh lam qua sợi quang, các nhà khoa học đã có thể điều khiển trực tiếp cử động râu của chuột. Thí nghiệm chứng minh rằng ánh sáng có thể trở thành công tắc điều khiển hành vi động vật theo thời gian thực. [1]

Soi sáng những mạch thần kinh bị rối loạn

Công nghệ mới mau chóng được gọi tên là quang di truyền (optogenetics), kết hợp giữa kỹ thuật di truyền để đưa protein nhạy sáng vào tế bào và kỹ thuật quang học để điều khiển chúng. Sự ra đời của quang di truyền không chỉ giúp giới khoa học vẽ lại bản đồ hoạt động của bộ não khỏe mạnh mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu các rối loạn thần kinh. [1]

Theo Abdel El Manira, công nghệ này giúp làm rõ cách thức các mạch não bị gián đoạn hay hư hỏng, mang lại hiểu biết sâu sắc hơn về những tình trạng bệnh lý phức tạp như trầm cảm, sa sút trí tuệ và tổn thương thị giác. Việc bật tắt chính xác từng nhóm neuron giúp các nhà nghiên cứu bóc tách từng mắt xích trong chuỗi phản ứng thần kinh gây ra bệnh lý. [1]

Tầm ảnh hưởng sâu rộng trong y học hiện đại

Những ứng dụng thực tế của quang di truyền đã bắt đầu đem lại kết quả cụ thể. Công nghệ này đã được thử nghiệm để hỗ trợ cải thiện thị lực cho những bệnh nhân mắc chứng viêm võng mạc sắc tố - một căn bệnh suy thoái làm hỏng các tế bào cảm nhận ánh sáng tự nhiên trong võng mạc. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu cũng dùng quang di truyền để phân tích vai trò của tim trong cách con người trải nghiệm và phản ứng với môi trường sống. [1]

Hành trình từ một protein nhạy sáng ở vi tảo đơn bào đến chiếc chìa khóa giải mã bộ não là minh chứng cho sức mạnh của việc kết hợp các ngành khoa học khác nhau. Phát minh của Peter Hegemann, Georg Nagel và Karl Deisseroth đã thay đổi hoàn toàn diện mạo của ngành thần kinh học, cho phép con người quan sát và điều khiển các hoạt động sống bên trong bộ não với độ chính xác chưa từng có. [1]