Kĩ thuật mới cho phép chụp lại hoạt động của toàn bộ não bộ trong một bức ảnh

Khi đề cập đến vấn đề đo lường hoạt động của não bộ, các nhà khoa học có những công cụ có thể đánh giá một cách chính xác tại một lát cắt mỏng của não (nhỏ hơn một milimet khối), hoặc đánh giá tương đối ở một khu vực lớn hơn. Gần đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Rockefeller đã mô tả một kỹ thuật mới cho phép ghi nhanh lại một hình chụp chi tiết về toàn bộ các hoạt động trong não bộ chuột.

Phương pháp mới này được đăng tải trực tuyến trên tạp chí Cell ngày 26 tháng 5, nó đã chụp lại hình ảnh ghi lại toàn bộ hoạt động của tất cả các neuron (tế bào thần kinh) trong não bộ tại 1 thời điểm cụ thể. Bộ não của chuột có chứa hàng chục triệu tế bào thần kinh và một hình ảnh điển hình sẽ mô tả hoạt động của khoảng một triệu tế bào thần kinh, Giáo sư Tessier-Lavigne nói.”Mục đích của kỹ thuật này là để thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của não như thế nào?”.

Tác giả nghiên cứu Nicolas Renier cho biết “Chúng tôi muốn phát triển một kỹ thuật và nó sẽ cho bạn thấy mức độ hoạt động ở độ chính xác của một neuron riêng lẻ, nhưng ở quy mô tổng thể của não bộ”. Nicolas Renier là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ đang làm việc tại phòng thí nghiệm của Giáo sư GiMarc Tessier-Lavigne. Hiên tại, giáo sư là hiệu trưởng trường Đại học Rockefeller đồng thời nghiên cứu tại phòng thí nghiệm phát triển và sửa chữa não bộ.

Làm não bộ trở nên trong suốt.

Eliza Adams, một sinh viên đã tốt nghiệp ở phòng thí nghiệm Tessier-Lavigne và là đồng tác giả của nghiên cứu đã nói “Vì bản chất của kĩ thuật, chúng tôi không thể nhìn thấy được não hoạt động theo thời gian mà chỉ thấy được các tế bào neuron hoạt động tại một thời điểm cụ thể bằng cách chụp nhanh. Nhưng những gì chúng ta đạt được trong sự đánh đổi này là một cái nhìn hoàn thiện về hầu hết những tế bào neuron trong não và khả năng so sánh các quần thể tế bào neuron đang hoạt động giữa các bức ảnh một cách rõ ràng.”

Sau đây là cách thức công cụ hoạt động: những nhà nghiên cứu đã đưa chuột vào một tình huống cụ thể để kích thích thay đổi hoạt động não bộ chẳng hạn như cho chuột dùng thuốc an thần, cho ria chuột chạm vào các chướng ngại vật khi đang di chuyển hoặc cho chúng chăm sóc con cái sau đó ngưng lại một khoảng thời gian rồi tiến hành đo. Renier giải thích việc dừng lại rất quan trọng bởi vì kĩ thuật đo lường hoạt động của não gián tiếp thông qua quá trình dịch mã các gen thuộc tế bào thần kinh tạo thành các sản phẩm protein, quá trình này mất khoảng 30 phút mới xảy ra.

Sau đó, các nhà khoa học sẽ xử lý não bộ để làm nó trở nên trong suốt theo một phiên bản cải tiến của protocol iDISCO, được phát triển bởi Zhuhao Wu, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ cộng tác với phòng thí nghiệm Tessier-Lavigne và mô phỏng lại bằng cách sử dụng các tấm sáng hiển vi để chụp nhanh tất cả các neuron hoạt động trong không gian 3D.

Để xác định một neuron hoạt động được định vị ở đâu bên trong não bộ. Christoph Kirst, một đồng nghiệp ở trung tâm Rockefeller nghiên cứu về Vât lý và Sinh học đã phát triển phần mềm dò tìm những tế bào neuron hoạt động và tự động lập bản đồ các ảnh chụp nhanh để lập thành một tập bản đồ 3D của não chuột. Phương pháp này được sáng lập bởi Viện não bộ Allen.

Mặc dù mỗi ảnh chụp nhanh chỉ chụp được hoạt động đặc trưng của não trong một thời điểm nhất định, gồm khoảng 1 triệu tế bào neuron đang hoạt động nhưng các nhà khoa học có thể sàng lọc tương đối nhanh thông qua khối lượng dữ liệu nếu họ đối chiếu giữa các ảnh với nhau. Renier nói rằng, bằng cách loại bỏ các neuron đang hoạt động ở cả 2 hình, các nhà nghiên cứu chỉ cần quan tâm đên điểm đặc trưng trong mỗi hình và cho phép họ kết luận cái gì là điểm khác biệt.

Quan sát và thử nghiệm cách thức não hoạt động như thế nào?

Renier lưu ý thêm rằng, mục đích chính của công cụ này là để giúp các nhà nghiên cứu đưa ra những giả thuyết về các chức năng của não bộ, giả thuyết này sau đó có thể được kiểm tra bằng các thí nghiệm khác. Ví dụ, bằng việc sử dụng kỹ thuật mới này, nhóm nghiên cứu phối hợp với Catherine Dulac và các nhà khoa học khác từ Đại học Harvard đã quan sát được rằng, khi một con chuột trưởng thành dạy dỗ chuột con, một vùng não bộ của nó đã biết, được hoạt hóa trong suốt quá trình nuôi dạy con cái – còn được gọi là vùng nhân tiền thị (medial pre-optic nucleus), hoặc MPO (medial pre-optic) – sáng lên. Đồng thời, họ cũng phát hiện ra rằng, sau khi vùng MPO được kích hoạt có ít hoạt động xảy ra tại vùng hạch hạnh nhân trên vỏ não (cortical amygdale), đây là khu vực xử lý các phản ứng ác cảm mà trong các thí nghiệm sau này được phát hiện là có liên quan trực tiếp với vùng MPO -“vùng chịu trách nhiệm nuôi dạy con cái “.

Renier nói “Giả thuyết của chúng tôi là các neuron đóng vai trò trong việc nuôi dạy con cái có khả năng kìm hãm hoạt động vùng sợ hãi (fear region) có thể ngăn chặn những phản ứng tiêu cực có thể có đối với chuột con.” Thật vậy, Những con chuột hung dữ với chuột con được quan sát thấy có khuynh hướng hoạt động nhiều hơn ở vùng hạch hạnh nhân trên vỏ não.

Renier cũng cho biết, để kiểm tra giả thuyết này, bước tiếp theo là làm bất hoạt các hoạt động ở vùng MPO để kiểm tra xem liệu nó có làm giảm độ hung dữ của chuột hay không, anh ấy cũng nói thêm rằng kỹ thuật này có ý nghĩa rộng hơn so với chỉ đơn giản là khảo sát những vùng nào của não bộ được hoạt hóa trong những hoàn cảnh khác nhau. Nó có thể được sử dụng để lập bản đồ hoạt động của não trong việc đáp ứng với bất kỳ sự thay đổi sinh học nào, chẳng hạn như sự lan truyền của một loại thuốc hoặc một loại bệnh, hay thậm chí là tìm hiểu cách thức bộ não đưa ra những quyết định như thế nào. “Bạn có thể sử dụng cùng một chiến lược để lập bản đồ bất cứ điều gì bạn quan tâm xảy ra trong não chuột,” Renier nói.

Hải Yến, Cẩm Vân, Kim Thoa (Tổng hợp)
Trần Minh Tứ, Vũ Đình Chất (Biên tập)

Tài liệu tham khảo:

1. Rockefeller University. (2016, May 26). New technique captures activity of an entire brain in a snapshot. ScienceDaily
2. Renier, Nicolas, et al. “Mapping of Brain Activity by Automated Volume Analysis of Immediate Early Genes.” Cell (2016).

Xin Mời Quý Độc Giả bỏ ra 2 – 5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG xin chân thành cảm ơn Quý độc giả.