Giải mã bí ẩn bộ não con người: Cuộc đua không ngừng nghỉ

Tuy nhiên bấy lâu nay, con người vẫn chưa bao giờ từ bỏ mơ ước dấn thân vào những lĩnh vực mới nhằm tạo ra những đột phá. Một trong những lĩnh vực đó là ngành khoa học thần kinh, mà tham vọng của nó là giải mã toàn bộ bí ẩn của bộ não con người. Tháng 1/2013, Ủy ban châu Âu đã chi ra 1.5 tỉ đô la Mỹ để phục vụ “Dự án bộ não người”. Hy vọng rằng, trong vòng 10 năm, các nhà khoa học sẽ thành công trong việc lập bản đồ tất cả các liên kết bên trong bộ não người. Đây là những động thái mới chớm, báo hiệu sự nở rộ của ngành khoa học thần kinh và những nghiên cứu về bộ não con người trong thời gian tới. 

Thao túng tế bào thần kinh

Hai công nghệ được xem là những bước tiến mới và quan trọng nhất trong khoa học thần kinh gần đây là ứng dụng tế bào gốc trong nghiên cứu thần kinh (hay kỹ thuật nuôi cấy tế bào thần kinh - neurons) và công nghệ quang - di truyền (Optogenetics). Hai công nghệ này hiện đã và đang thâm nhập vào nhiều phòng thí nghiệm của các nhóm nghiên cứu quốc tế, trở thành trợ thủ đắc lực giúp các nhà khoa học khám phá những điều đáng chú ý về bệnh lý thần kinh, và có thể nhìn thấy những gì đang xảy ra trong bộ não.

Kỹ thuật nuôi cấy tế bào thần kinh có thể được coi là thành công lớn tới từ đất nước mặt trời mọc. Các nhà khoa học Nhật Bản do Giáo sư Shinya Yamanaka dẫn đầu đã thành công trong việc biến tế bào trưởng thành thành tế bào gốc toàn năng cảm ứng (iPS), bằng cách sử dụng các loại hóa chất đặc biệt, mà ngày nay đã được gọi là các “yếu tố Yamanaka”. Kỹ thuật đặc biệt này được ứng dụng vào mục đích nghiên cứu thần kinh và phát triển thành kỹ thuật nuôi cấy tế bào thần kinh.

Các nhà khoa học thu thập các tế bào từ những người bị bệnh và không bị bệnh rối loạn thần kinh. Sau đó, họ sử dụng các yếu tố Yamanaka để biến chúng thành các tế bào gốc iPS. Những tế bào iPS này sẽ được điều khiển để phát triển thành các tế bào thần kinh. Bằng cách quan sát sự khác nhau giữa hai quần thể tế bào thần kinh, các nhà khoa học có thể khám phá những điều đáng chú ý về bệnh lý thần kinh đó nhờ vào phương pháp gọi là “nuôi cấy tế bào thần kinh”.

Trong khi đó, công nghệ quang - di truyền lại được tìm ra hết sức tình cờ. Quay ngược thời gian từ khoảng năm 2000, một cuộc nói chuyện của các nhà khoa học thần kinh ở Đại học Stanford (Mỹ) đã đặt nền móng cho sự phát triển của công nghệ Optogenetics. Giáo sư Karl Deisseroth và Edward Boyden đang nghiên cứu về cách để định dạng hoạt động của các mạch thần kinh trong não. Lúc đầu, họ mơ tưởng về chuyện sử dụng các hạt từ tính để thao túng các tế bào thần kinh. Mãi đến tận năm 2004, một hướng đi mới đã mở ra. Hai nhà khoa học đã thành công trong việc cấy một gen mã hóa một protein nhạy sáng của tảo vào tế bào thần kinh động vật nuôi cấy trên đĩa petri.

Bằng cách chiếu ánh sáng màu lam, các protein nhạy sáng vốn là những kênh ion sẽ mở ra và kích hoạt tế bào. Cùng lúc đó, một sinh viên cao học tại Stanford là Feng Zhang cũng tham gia vào nhóm của hai giáo sư. Feng Zhang đã đề nghị sử dụng liệu pháp gen để đưa gen đặc biệt này vào tế bào thần kinh của chuột. Họ đã thành công trong việc cấy ghép chính xác gen này vào những tế bào thần kinh đặc biệt trong não. Khi bật ánh sáng lam lên, con chuột sẽ đáp ứng và thực hiện một hành động do vùng não đó điều khiển.

Với công nghệ Optogenetics, năm 2010, Giáo sư David Anderson tại Học viện Caltech đã công bố một khám phá bất ngờ về một vùng não mà khoa học đã từng biết trước đó. Anderson đã phát hiện ra rằng, các tế bào thần kinh liên quan đến hành vi hung dữ nằm ở vùng hạ đồi (hypothalamus) thực chất đan quyện với các tế bào thần kinh liên quan đến hành vi giao phối. Giáo sư mô tả rằng, khi bật công tắc đèn, các chú chuột hiền lành bỗng trở nên hung tợn và sẵn sàng tấn công bất cứ thứ gì. Ngược lại, chúng cũng đột ngột trở nên hiền lành khi tắt công tắc đèn. Ngoài ra, hành vi giao phối của chuột có thể được ưu tiên cao hơn so với hành vi hung tợn.

Từ đầu năm 2014, các nhà khoa học đã bắt đầu mở rộng công nghệ Optogenetics bằng thành công trong việc tìm ra các loại protein mới có khả năng ức chế tế bào thần kinh. Như vậy, Optogenetics không chỉ kích thích mà còn có thể ức chế tế bào thần kinh trong mạch liên kết. Các nhà khoa học đang đặt nhiều kỳ vọng vào công nghệ Optogenetics trong những nghiên cứu thần kinh trong tương lai. Công nghệ này tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều so với kỹ thuật chụp cộng hưởng từ chức năng (fMRI). Một cách ví von rằng: nếu fMRI giúp các nhà khoa học nhìn vào hoạt động của một thị trấn từ độ cao khoảng 9km, thì Optogenetics có thể giúp họ nhìn thấy những gì đang xảy ra bên trong thị trấn đó.

Công nghệ lập bản đồ bộ não

Ngoài các công nghệ đã nêu, giới khoa học và nghiên cứu ở các phòng thí nghiệm khắp nơi trên thế giới đã và đang phát triển những kỹ thuật mới và tiên tiến. Những tiến bộ khoa học - công nghệ đã tạo điều kiện giúp các nhà khoa học mô phỏng tương đối chính xác và đầy đủ về bộ não người, tạo ra những bước hi vọng mới trong việc góp phần vào hệ thống chăm sóc sức khoẻ của nhân loại. 

Từ tháng 7/2009, “Dự án lập bản đồ Connectome của người” được chính quyền Mỹ khởi động và đang huy động một đội ngũ rất lớn các nhà khoa học từ các trường đại học danh tiếng trên toàn thế giới. Connectome là một khái niệm mới ra đời vào năm 2005 trong một bài báo mở đường của các nhà khoa học Olaf Sporns, Rolf Kotter, và Giulio Tononi. Một connectome là một tấm bản đồ tổng thể về các liên kết thần kinh bên trong não.

“Dự án lập bản đồ Connectome của người” được chính quyền Mỹ khởi động từ tháng 7/2009.

Tháng 4/2013, Tổng thống Mỹ Barack Obama khởi động một cuộc chạy đua khoa học trong lĩnh vực thần kinh, với dự án “Nghiên cứu bộ não thông qua các kỹ thuật thần kinh tiên tiến” (BRAIN). Với chương trình này, hơn 1 tỉ đô la Mỹ sẽ được đổ vào mục tiêu phát triển các công nghệ tiên phong (trong đó có dự án Connectome) nhằm hỗ trợ cho các nghiên cứu về bộ não con người. Tới đầu năm 2014, Viện Y tế quốc gia Mỹ đã đưa ra bản dự thảo nhằm thu hút 40 triệu đô la trong công cuộc phát triển công nghệ này.

Trong khi đó, các nhà khoa học Đức thuộc Trung tâm nghiên cứu Julich đang áp dụng kỹ thuật lập bản đồ bộ não bằng các lát cắt não. Phương pháp này đòi hỏi sử dụng bộ não của một người hiến tặng. Các nhà khoa học sẽ chụp cộng hưởng từ (MRI) để quét toàn bộ bộ não. Thông tin này sẽ được dùng để tái xây dựng mô hình ảo của bộ não. Sau đó, bộ não sẽ được cắt ra thành những lát cực mỏng. Chúng sẽ được nhuộm và chụp lại với một độ chính xác cực kỳ cao. Sau đó, toàn bộ các hình ảnh từ các lát cắt sẽ được kết hợp với thông tin thu được từ MRI để xây dựng nên một mô hình não bộ ba chiều hoàn chỉnh.

Mới đây, công nghệ chụp ảnh Clarity (đã có sự cải tiến đột phá về khả năng thu nhận ánh sáng), do  chính Karl Deisseroth phát triển, đã được áp dụng vào y học, dùng để chụp ảnh nội soi não bộ. Công dụng tăng độ sắc nét Clarity trong chụp ảnh cho phép các nhà khoa học nhìn toàn bộ não nguyên vẹn, chứ không làm cắt đứt kết nối giữa các tế bào như thông qua cắt lớp.

Đầu tiên, các nhà khoa học gắn cố định các phân tử sinh học như protein và DNA lên một mắc lưới giống nhựa, để giữ tính thống nhất vật lý của bộ não sau khi chết. Sau đó, họ sử dụng chất tẩy để rửa trôi các chất béo trong mô não. Bây giờ bộ não trở nên trong suốt và bộc lộ toàn bộ kiến trúc ba chiều của các sợi liên kết, cho phép các nhà khoa học có thể quan sát được các sợi thần kinh, hay còn được gọi là “chất trắng”.

Tựu chung lại, lĩnh vực khoa học thần kinh đã có một bề dày lịch sử nghiên cứu, và thời gian gần đây khoa học đã chứng kiến một sự phát triển vượt bậc của các công nghệ thần kinh. Các công nghệ quang - di truyền, ứng dụng tế bào gốc trong nghiên cứu thần kinh hay lập bản đồ bộ não, đóng vai trò quan trọng trong việc giúp các nhà khoa học xây dựng một cơ sở dữ liệu, để phục vụ cho các nghiên cứu khoa học thần kinh khác.

Với những kết quả thu được, các nhà khoa học có thể nhìn sâu vào hoạt động của từng tế bào, để từ đó có thể hiểu tường tận về các rối loạn thần kinh. Từ đó, những kết quả này có thể được dùng để tìm ra các phương pháp điều trị. Thế nên, thế kỷ 21 đầy hứa hẹn sẽ chứng kiến những cuộc cách mạng khoa học vĩ đại của loài người. Tri thức là vô tận, nhưng chỉ có lòng đam mê mới giúp con người tìm tòi ra những cái mới…