Vì sao Golgi và Cajal nhìn cùng một bộ não nhưng hiểu nó trái ngược?

Ngày 10 tháng 12 năm 1906, trong giá lạnh Stockholm, Camillo Golgi và Santiago Ramón y Cajal cùng xuất hiện tại lễ trao Nobel. Họ được vinh danh vì những đóng góp liên quan đến một kỹ thuật có thể làm nổi bật tế bào thần kinh, nhưng lại diễn giải các tiêu bản dưới kính hiển vi theo hai cách khác nhau. Golgi cho rằng các tế bào nối liền thành một mạng liên tục; Cajal cho rằng mỗi tế bào là một đơn vị riêng, truyền tín hiệu qua những khoảng ngăn cách nhỏ. [1]

Mâu thuẫn ấy cho thấy một công cụ quan sát mới không tự động tạo ra một cách hiểu duy nhất. Hình ảnh cần được đặt trong giả thuyết về cách não vận hành, và chính giả thuyết đó có thể quyết định nhà khoa học chú ý đến chi tiết nào. [1]

Vì sao mô thần kinh khó quan sát?

Mô thần kinh gần như trong suốt, nhanh hư hỏng và chứa rất nhiều tế bào chen chúc. Những phần quan trọng nhất của một tế bào, như thân, sợi nhánh và sợi trục, lại kéo dài theo nhiều hướng. Nếu không tạo được độ tương phản, tất cả dễ hòa thành một khối mờ, khiến người quan sát khó biết đường nét nào thuộc về tế bào nào. [1]

Các nhà mô học khi đó đã thử nhiều chất bảo quản và thuốc nhuộm. Quy trình cơ bản gồm giữ mô, xử lý, cắt thành lát mỏng rồi nhuộm để các cấu trúc hiện ra. Nhưng mô thần kinh đòi hỏi sự kiểm soát tinh tế hơn nhiều so với nhiều loại mô khác: nhuộm quá ít thì không thấy gì, nhuộm quá nhiều thì các đường nét chồng lấn lên nhau. [1]

Kỹ thuật nhuộm đen đã thay đổi điều gì?

Năm 1873, Golgi phát triển phản ứng đen bằng cách cho nitrat bạc tác động lên mô não đã được làm cứng bằng kali dicromat. Vì những lý do khi ấy vẫn chưa được giải thích đầy đủ, phương pháp này thường chỉ làm đen một phần nhỏ tế bào trong mẫu. Chính sự chọn lọc đó lại tạo ra độ tương phản mạnh: một số tế bào và các nhánh của chúng nổi bật trên nền sáng hơn. [1]

Điểm quan trọng là kỹ thuật không làm toàn bộ mô trở nên rõ ràng cùng lúc. Nó giống như bật đèn chiếu vào một vài thân cây trong khu rừng dày, nhờ vậy người quan sát có thể theo dõi hình dạng tương đối trọn vẹn của từng tế bào. Golgi đã mở ra cách khảo sát hệ thần kinh ở cấp độ tế bào, nhưng hình ảnh ấy chưa tự trả lời các tế bào liên hệ với nhau bằng cách nào. [1]

Golgi đã diễn giải mạng lưới ra sao?

Golgi tin rằng hệ thần kinh hoạt động như một đơn vị liên tục. Theo cách hiểu này, các sợi của tế bào nối trực tiếp với nhau để tạo thành một mạng lan rộng, qua đó xung điện có thể truyền đi. Ông gọi phiên bản của mình là mạng thần kinh lan tỏa và cho rằng các sợi trục, chứ không phải mọi phần của tế bào, giữ vai trò chính trong mạng ấy. [1]

Cách diễn giải này có sức thuyết phục nhất định vì các nhánh thần kinh trên tiêu bản thực sự đan xen dày đặc. Một hình ảnh rối như vậy dễ gợi cảm giác về sự liên tục. Tuy nhiên, nhìn thấy các nhánh tiến sát nhau chưa đồng nghĩa với việc quan sát được một mối nối vật lý giữa chúng. Đây là ranh giới giữa điều kính hiển vi cho thấy và điều một lý thuyết suy ra từ đó. [1]

Cajal tìm thấy điều gì khác trong cùng kỹ thuật?

Cajal tiếp nhận phương pháp của Golgi nhưng liên tục điều chỉnh thời gian ngâm, nồng độ và cách thấm bạc vào những lát mô dày hơn. Ông cũng vẽ lại các tiêu bản với mức độ chi tiết cao, so sánh hình dạng và hướng của tế bào ở võng mạc, hành khứu giác cùng nhiều vùng khác của hệ thần kinh. [1]

Từ các quan sát đó, Cajal cho rằng tế bào thần kinh kết thúc tự do thay vì hợp thành một mạng liên tục. Ông nhận thấy các sợi nhánh thường hướng về phía tiếp nhận thông tin, còn sợi trục hướng về các phần khác của hệ thần kinh. Từ đây hình thành quan niệm về sự phân cực động: tín hiệu thường đi từ sợi nhánh qua thân tế bào rồi theo sợi trục. [1]

Cajal không trực tiếp nhìn thấy khoảng trống giữa các tế bào. Ông suy luận về sự tồn tại của khoảng cách ấy từ việc các vùng tương ứng không bị nhuộm liền nhau và từ sự nhất quán của nhiều hình thái quan sát được. Về sau, khái niệm khớp thần kinh được dùng để gọi nơi tín hiệu truyền qua giữa các tế bào. Năm 1956, ảnh hiển vi điện tử đầu tiên về khớp thần kinh được báo cáo, và kết quả đó phù hợp với quan điểm tế bào riêng biệt của Cajal. [1]

Vì sao cùng nhận Nobel mà một lý thuyết thắng thế?

Golgi đóng góp chiếc chìa khóa kỹ thuật, còn Cajal dùng chiếc chìa khóa ấy để xây dựng một cách giải thích mới về cấu trúc và hướng truyền thông tin. Tại hội nghị ở Berlin năm 1889, các tiêu bản của Cajal gây ấn tượng mạnh và khuyến khích nhiều nhà nghiên cứu áp dụng phương pháp nhuộm đen đã được ông cải tiến. Đến năm 1891, quan điểm về tế bào thần kinh như các đơn vị riêng được gọi là học thuyết neuron. [1]

Nghịch lý nằm ở chỗ Golgi vẫn phản đối kết luận được xây dựng từ kỹ thuật của mình. Khi hai người nhận chung Nobel năm 1906, ông tiếp tục bảo vệ mạng liên tục trong bài diễn văn, còn Cajal nhấn mạnh sự phức tạp và đa dạng của tự nhiên. Giải thưởng ghi nhận cả phát hiện phương pháp lẫn công trình diễn giải, nhưng lịch sử ngành thần kinh học sau đó chủ yếu đi theo khung do Cajal phát triển. [1]

Câu chuyện này không biến Golgi thành người chỉ mắc sai lầm, cũng không biến Cajal thành người nhìn thấy mọi thứ ngay lập tức. Một phương pháp có thể làm lộ ra cấu trúc chưa từng thấy; để hiểu cấu trúc ấy, nhà khoa học vẫn phải chọn giả thuyết, kiểm tra hướng sắp xếp và phân biệt khoảng cách quan sát được với mối nối được suy ra. Cùng một kính hiển vi, vì thế, có thể mở đầu cho hai cách đọc khác nhau về bộ não. [1]