QUANG DI TRUYỀN HỌC: KHI ÁNH SÁNG TRỞ THÀNH CÔNG TẮC CỦA NÃO BỘ
Não người có khoảng 86 tỷ tế bào thần kinh (neuron).
Mỗi neuron lại kết nối với hàng nghìn neuron khác, tạo thành một mạng lưới khổng lồ.
Vậy có một câu hỏi rất đơn giản nhưng cực kỳ khó:
Nếu chúng ta muốn biết một nhóm neuron nào đó làm gì, liệu có thể chỉ bật đúng nhóm neuron ấy lên mà không làm ảnh hưởng đến những neuron khác?
Ví dụ:
Nếu bật đúng nhóm neuron liên quan đến nỗi sợ, con vật có sợ hay không?
Nếu tắt đúng nhóm neuron đó, nỗi sợ có biến mất hay không?
Để trả lời những câu hỏi như vậy, thần kinh học cần một thứ giống như một công tắc cực kỳ chính xác.
Và điều kỳ lạ là...
Chiếc công tắc ấy lại bắt đầu từ một loại tảo.
1. TẢO CÓ THỂ “NHÌN” ÁNH SÁNG NHƯ THẾ NÀO?
Một số loại tảo đơn bào có khả năng cảm nhận ánh sáng.
Các nhà khoa học phát hiện chúng sử dụng những protein đặc biệt gọi là opsin để cảm nhận ánh sáng.
Trong số đó có một loại protein đặc biệt:
channelrhodopsin.
Điều kỳ diệu nằm ở chỗ:
Khi ánh sáng chiếu vào channelrhodopsin, protein này có thể mở ra như một chiếc cửa trên màng tế bào.
Khi cửa mở, các ion đi qua màng.
Dòng ion này làm thay đổi điện thế của tế bào.
Nói đơn giản:
Ánh sáng → mở kênh ion → dòng điện của tế bào thay đổi.
Các nhà khoa học bắt đầu nhận ra:
Nếu có thể đưa chiếc “công tắc ánh sáng” này vào tế bào thần kinh, chúng ta có thể dùng ánh sáng để điều khiển hoạt động của neuron.
Đây là một ý tưởng vô cùng mạnh.
2. TỪ ÁNH SÁNG ĐẾN DÒNG ĐIỆN
Neuron vốn là một tế bào có khả năng truyền tín hiệu điện.
Thông thường, neuron nhận tín hiệu → thay đổi điện thế màng → phát xung thần kinh.
Bây giờ chúng ta đưa một protein nhạy sáng như channelrhodopsin-2 (ChR2) vào neuron.
Khi chiếu ánh sáng thích hợp:
Ánh sáng
↓
ChR2 mở
↓
ion đi qua màng
↓
điện thế màng thay đổi
↓
neuron có thể phát xung.
Như vậy:
Ánh sáng có thể trở thành tín hiệu điều khiển hoạt động điện của neuron.
Đó chính là nền tảng của quang di truyền học – optogenetics.
3. NHƯNG VẤN ĐỀ QUAN TRỌNG NHẤT LÀ: ĐƯA CÔNG TẮC VÀO ĐÚNG TẾ BÀO
Não có hàng chục tỷ neuron.
Không thể chỉ chiếu ánh sáng rồi hy vọng đúng neuron cần nghiên cứu sẽ hoạt động.
Điểm đột phá của quang di truyền học là kết hợp:
Kỹ thuật di truyền + ánh sáng.
Các nhà khoa học có thể sử dụng kỹ thuật di truyền để đưa gen mã hóa opsin vào một nhóm neuron cụ thể.
Ví dụ:
Neuron A có opsin.
Neuron B không có opsin.
Neuron C không có opsin.
Khi chiếu ánh sáng:
Neuron A → bị tác động
Neuron B → không có công tắc → không bị tác động trực tiếp
Neuron C → không có công tắc → không bị tác động trực tiếp
Vì vậy có thể nói:
Gen quyết định “tế bào nào có công tắc”, còn ánh sáng quyết định “khi nào công tắc được bật”.
Đây chính là sức mạnh của quang di truyền học.
4. KHÔNG CHỈ BẬT – CÒN CÓ THỂ TẮT
Nếu có công tắc bật thì tất nhiên các nhà khoa học cũng muốn có công tắc tắt.
Vì vậy, họ phát triển nhiều loại opsin khác nhau.
Một số opsin có thể kích thích neuron.
Một số khác có thể ức chế hoạt động của neuron.
Do đó, về nguyên lý, chúng ta có thể tạo ra:
Ánh sáng → BẬT neuron
hoặc
Ánh sáng → ỨC CHẾ neuron.
Não lúc này gần giống như một hệ thống điện tử có những công tắc rất nhỏ.
Chúng ta có thể hỏi:
Bật nhóm neuron này thì chuyện gì xảy ra?
Tắt nhóm neuron này thì chuyện gì xảy ra?
5. ĐIỀU NÀY THAY ĐỔI CÁCH NGHIÊN CỨU NÃO
Trước đây, nhà khoa học có thể quan sát:
“Khi con vật sợ, nhóm neuron này hoạt động.”
Nhưng câu hỏi quan trọng hơn là:
“Nhóm neuron này có thực sự gây ra hành vi sợ hay chỉ tình cờ hoạt động cùng lúc?”
Đây là sự khác biệt giữa:
Tương quan
và
Quan hệ nhân quả.
Quang di truyền học cho phép nhà khoa học làm một thí nghiệm rất mạnh:
Bật đúng nhóm neuron → quan sát hành vi.
Nếu hành vi xuất hiện, chúng ta có thêm bằng chứng rằng nhóm neuron đó có vai trò nhân quả trong mạch thần kinh đang nghiên cứu.
6. VÍ DỤ: NỖI SỢ
Hãy tưởng tượng một con chuột đã học rằng một nơi nào đó nguy hiểm.
Một nhóm neuron nhất định hoạt động khi nó biểu hiện phản ứng sợ hãi.
Các nhà khoa học có thể đánh dấu và đưa opsin vào nhóm neuron đó.
Sau đó:
Không có kích thích nguy hiểm.
Nhưng nhà khoa học chiếu ánh sáng để kích hoạt nhóm neuron.
Nếu con chuột xuất hiện những hành vi liên quan đến ký ức sợ hãi, chúng ta có một phát hiện rất đáng chú ý:
Chỉ cần kích hoạt đúng một nhóm neuron, chúng ta có thể làm xuất hiện một phần biểu hiện của ký ức hoặc trạng thái cảm xúc liên quan.
Điều này mở ra một cách nhìn mới về ký ức, cảm xúc và hành vi.
7. CÒN GIẤC NGỦ VÀ SỰ TỈNH TÁO?
Một ví dụ khác là hệ thống orexin/hypocretin trong não.
Các neuron sản xuất orexin có vai trò quan trọng trong việc duy trì trạng thái tỉnh táo.
Nếu có thể điều khiển chính xác nhóm neuron này bằng ánh sáng, nhà khoa học có thể nghiên cứu:
Kích hoạt nhóm neuron này → trạng thái thức thay đổi thế nào?
Ức chế nhóm neuron này → trạng thái thức thay đổi thế nào?
Thay vì chỉ quan sát bộ não, chúng ta có thể can thiệp có chủ đích vào một mạch thần kinh rồi quan sát kết quả.
8. NHƯNG CÓ MỘT VẤN ĐỀ: ÁNH SÁNG KHÔNG DỄ ĐI QUA HỘP SỌ
Ánh sáng nhìn thấy không thể xuyên sâu qua hộp sọ và mô não đủ tốt để điều khiển các neuron nằm sâu bên trong.
Vì vậy, trong nhiều nghiên cứu trên động vật, các nhà khoa học sử dụng sợi quang học để đưa ánh sáng đến đúng vùng não.
Có thể hình dung:
Nguồn sáng
↓
Sợi quang
↓
Vùng não cần nghiên cứu
↓
Opsin trên neuron
↓
Neuron được bật hoặc ức chế
↓
Thay đổi hoạt động của mạch thần kinh
↓
Thay đổi hành vi.
Đó là cách một tia sáng bên ngoài có thể tác động đến một nhóm neuron rất cụ thể bên trong não.
9. VÀ ĐIỀU ĐÁNG KINH NGẠC NHẤT: TỪ NGHIÊN CỨU ĐỘNG VẬT ĐẾN CON NGƯỜI
Quang di truyền học ban đầu chủ yếu là một công cụ nghiên cứu.
Nhưng các nhà khoa học bắt đầu đặt câu hỏi:
Nếu chúng ta có thể biến một tế bào trở nên nhạy với ánh sáng, liệu có thể sử dụng nguyên lý này để điều trị bệnh?
Một ví dụ nổi bật là bệnh thoái hóa võng mạc.
Năm 2021, một nghiên cứu lâm sàng đã báo cáo việc sử dụng liệu pháp quang di truyền ở một bệnh nhân mắc bệnh võng mạc thoái hóa.
Các nhà nghiên cứu đưa một opsin vào một số tế bào võng mạc còn lại.
Kết hợp với một thiết bị hỗ trợ ánh sáng, bệnh nhân có thể thực hiện một số nhiệm vụ thị giác đơn giản.
Điều này chưa có nghĩa là:
“Chữa khỏi mù.”
Nhưng nó chứng minh một điều rất quan trọng:
Một nguyên lý từng được dùng để nghiên cứu neuron trong phòng thí nghiệm có thể bắt đầu được chuyển thành công nghệ điều trị cho con người.
10. TỪ MỘT LOẠI TẢO ĐẾN BỘ NÃO CON NGƯỜI
Câu chuyện của quang di truyền học có thể tóm gọn như thế này:
Tảo
↓
Protein cảm nhận ánh sáng
↓
Channelrhodopsin
↓
Kênh ion mở bằng ánh sáng
↓
Ánh sáng tạo ra thay đổi điện của tế bào
↓
Đưa gen opsin vào neuron
↓
Biến neuron thành tế bào có “công tắc ánh sáng”
↓
Chiếu ánh sáng
↓
Bật hoặc ức chế neuron
↓
Điều khiển mạch thần kinh
↓
Quan sát ký ức, cảm xúc, giấc ngủ, vận động và hành vi
↓
Tiến tới các ứng dụng điều trị bệnh thần kinh và giác quan.
11. Ý TƯỞNG CỐT LÕI CHỈ CÓ MỘT CÂU
Quang di truyền học là cách dùng kỹ thuật di truyền để đưa một “công tắc ánh sáng” vào đúng loại tế bào, sau đó dùng ánh sáng để bật hoặc ức chế tế bào đó với độ chính xác rất cao.
Hay nói theo cách dễ nhớ hơn:
“Gen chọn đúng tế bào.
Ánh sáng chọn đúng thời điểm.
Và neuron biến ánh sáng thành tín hiệu điện.”
Đó là lý do quang di truyền học được xem là một trong những công nghệ đã làm thay đổi cách con người nghiên cứu bộ não, ký ức, cảm xúc và hành vi.
