Nobel Y học 2014: Phát hiện thế kỷ về “Hệ thống định vị toàn cầu tự nhiên”

Phát hiện của ba nhà khoa học giúp giải quyết một vấn đề đã làm đau đầu giới triết gia và nghiên cứu trong suốt nhiều thế kỷ qua. Đó là, bằng cách nào não tạo ra một bản đồ không gian xung quanh chúng ta và giúp chúng ta điều hướng trong một môi trường phức tạp. Công trình này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế dẫn đến chứng bệnh mất nhận thức về không gian ở các bệnh nhân bị đột quỵ, những người bị chứng hay quên và chứng suy giảm trí nhớ Alzheimer - căn bệnh đang ảnh hưởng tới ít nhất 44 triệu người trên toàn cầu.

John O’Keefe và vị trí trong không gian

Các câu hỏi về vị trí và điều hướng trong không gian đã được các triết gia và các nhà khoa học tìm hiểu trong một thời gian dài. Hơn 200 năm trước, nhà triết học Đức Immanuel Kant cho rằng một số khả năng tinh thần tồn tại như một kiến thức tiên nghiệm hay kinh nghiệm độc lập. Ông được coi là người đưa ra các khái niệm về không gian như một nguyên tắc sẵn có của tâm, thông qua tâm của con người mà thế giới được nhận thức.

Với sự ra đời của tâm lý học hành vi giữa thế kỷ 20, những câu hỏi này có thể được giải quyết thông qua các thí nghiệm. Khi nhà tâm lý học người Mỹ Edward Tolman thí nghiệm chuột chạy trong một mê cung, ông phát hiện rằng chúng có thể học được cách định vị và điều hướng. Ông đã đề nghị ý tưởng xây dựng “một bản đồ nhận thức” được hình thành trong não, cho phép động vật đưa ra cách riêng của chúng để tìm ra đường đi đến nơi chúng cần đến. Nhưng làm thế nào một bản đồ như vậy lại được hiện diện trong bộ não?

Cho tới cuối thập niên 1960, Giáo sư John O’Keefe - vốn bị thu hút bởi những vấn đề liên quan tới việc não bộ kiểm soát các hành vi và đưa ra quyết định - đã tự mình giải quyết câu hỏi phức tạp trên bằng các phương pháp sinh lý thần kinh. Phải mất tới 11 năm, vị giáo sư này mới phát hiện thành phần đầu tiên của hệ thống định vị của não bộ.

Khi ghi âm tín hiệu từ tế bào thần kinh riêng lẻ trong một phần của não gọi là Hồi Hải Mã (hippocampus) ở chuột di chuyển tự do trong một căn phòng, O’Keefe phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh “nào đó” luôn luôn được kích hoạt khi con vật đang ở một vị trí nhất định trong phòng. Nhận thấy rằng các tế nào khác nằm ở khu vực này cũng sẽ được kích hoạt khi con chuột đi tới vị trí khác trong phòng, O’Keefe kết luận rằng các tế bào “nào đó” thực chất là loại “tế bào định vị” (place cell), không chỉ đơn thuần tiếp nhận thông tin đầu vào từ tế bào thị giác, mà chúng còn xây dựng một bản đồ bên trong não bộ của cả căn phòng (hay môi trường xung quanh).

Theo O’Keefe, vùng Hồi Hải Mã tạo ra rất nhiều bản đồ, đại diện bởi hoạt động nhóm của các tế bào định vị được kích hoạt trong các vị trí nhất định ở những môi trường khác nhau. Do đó, bộ nhớ của một môi trường có thể được lưu trữ như là một sự kết hợp các hoạt động cụ thể của nhiều nhóm tế bào diễn ra trong vùng Hồi Hải Mã.

May-Britt Moser và Edvard Moser đi tìm tọa độ

Năm 1996, hai nhà khoa học May-Britt Moser và Edvard Moser (nay đã thành vợ chồng) đã hợp tác với O’Keefe để nghiên cứu cách ghi lại hoạt động của các tế bào ở vùng Hồi Hải Mã. Năm 2005, hai người đã khám phá ra một thành phần chủ yếu khác của hệ thống định vị của não bộ - một kiểu tế bào thần kinh khác gọi là “tế bào lưới” (grid cell), có chức năng tạo ra một hệ thống điều phối, cho phép định vị và tìm đường một cách chính xác.

May-Britt Moser và Edvard Moser đã lập được bản đồ các kết nối tới vùng Hồi Hải Mã ở chuột di chuyển trong một căn phòng khi họ phát hiện ra một mô hình “đáng kinh ngạc” của các hoạt động trong khu vực vỏ não nội khứu (entorhinal cortex). Ở đây, một số tế bào được kích hoạt khi các con chuột đi qua nhiều địa điểm được sắp xếp trong một mạng lưới hình lục giác. Các tế bào này thường xuyên hoạt động để tạo ra một bản đồ về thế giới bên ngoài và chịu trách nhiệm giúp các loài động vật biết rõ mình đang ở đâu, đã đi qua những đâu và sẽ tới đâu.

Mỗi một tế bào đã được kích hoạt trong một mô hình không gian độc đáo và tập thể các “tế bào lưới” tạo thành một hệ thống phối hợp cho phép chúng điều hướng trong không gian. Cùng với các tế bào khác của vỏ não nội khứu nhận biết điểm đầu, điểm cuối và biên giới của căn phòng, chúng tạo thành các mạch nối với các tế bào định vị trong vùng Hồi Hải Mã. Mạch này tạo thành một hệ thống toàn diện định vị, được gọi là “hệ thống định vị (hay GPS) của não bộ”.

Đồng chủ nhân Nobel Y học 2014: Giáo sư O’Keefe và vợ chồng Giáo sư Moser.

Ngày 6/10/2014, May-Britt Moser đang thảo luận về dữ liệu nghiên cứu với các cộng sự tại đại học khi Tổng thư ký Hội đồng giải thưởng Nobel gọi điện cho bà. Nhưng May-Britt Moser đã suýt nữa không nghe máy vì hoạt động thảo luận đang diễn ra sôi nổi. Khi nhận được tin, bà đã nhảy múa và uống sâm-panh cùng với các cộng sự. “Điều này thật tuyệt vời, điều này thật điên rồ. Tôi chỉ còn biết nhảy lên và la hét” - May-Britt Moser nói với Hãng tin Reuters.

“Tôi quá đỗi tự hào về tất cả những sự ủng hộ mà chúng tôi nhận được. Mọi người đã tin vào chúng tôi, vào điều chúng tôi đã làm và giờ thì phần thưởng tới”. Đài truyền hình Na Uy phát hình ảnh cho thấy các đồng nghiệp hát bài Happy Nobel to you (Mừng đoạt giải Nobel), theo giai điệu của ca khúc Happy Birthday bất hủ. Trong khi đó, chồng của bà Edvard Moser đã không nhận được tin đoạt giải do ông đang trên máy bay tới Munich (Đức). Ông chia sẻ sau đó với hãng tin Reuters rằng có người mang hoa chờ sẵn mình ở Munich và báo với ông tin mừng.

Những ý nghĩa thực tiễn to lớn

Theo Reuters, John O’Keefe - người đặt nền tảng cho nghiên cứu bản đồ sinh học phân tử cấu trúc thần kinh - được coi là người khởi xướng nghiên cứu về GPS bên trong não bộ, và vinh dự nhận một nửa giải Nobel Y học 2014. Trong khi đó, hai vợ chồng May-Britt Moser và Edvard Moser tiếp nối và hoàn thiện những gì mà John O’Keefe đã đặt những viên gạch đầu tiên. Vì thế, họ cùng chia nhau một nửa giá trị còn lại của giải thưởng.

Giải Nobel Y học năm nay cũng chứng kiến điểm thú vị khi May-Britt Moser và Edvard Moser là cặp vợ chồng thứ năm được nhận giải thưởng này sau thời gian dài, còn riêng bà May-Britt Moser là người phụ nữ thứ 11 vinh dự nhận giải Nobel. Hãng tin Reuters cho biết vợ chồng nhà Moser đã gia nhập một câu lạc bộ danh giá, bao gồm các đôi vợ chồng từng giành giải Nobel cùng nhau. Cặp vợ chồng này đã đi đầu trong việc nghiên cứu cơ chế hình dung không gian của não bộ trong suốt một thập kỷ qua. Họ đã giành được một số giải thưởng lớn khác như giải Louisa Gross Horwitz dành cho những đóng góp về sinh vật học hoặc hóa sinh và giải thưởng Karl Spencer Lashley về nghiên cứu khoa học thần kinh.

Những nghiên cứu gần đây cùng với kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh về não, và các nghiên cứu về bệnh nhân trải qua phẫu thuật thần kinh, đã cung cấp bằng chứng cho thấy các tế bào định vị và tế bào lưới cũng tồn tại trong con người. Ở những bệnh nhân bị bệnh Alzheimer, vùng Hồi Hải Mã và vỏ não nội khứu thường xuyên bị ảnh hưởng ở giai đoạn đầu, và những người này thường bị mất trí nhớ theo cách của họ, cũng như không thể nhận ra môi trường. Do đó, kiến thức về hệ thống định vị bên trong não bộ có thể giúp các nhà khoa học hiểu được cơ chế làm cơ sở cho sự mất trí nhớ không gian bị tàn phá ảnh hưởng đến những người mắc bệnh này.

Việc phát hiện ra hệ thống định vị của não bộ là khám phá thực sự tuyệt vời và mang tính đột phá. Bởi lẽ, công trình kéo dài nhiều thập kỷ này đã nêu lên một sự thay đổi mô hình trong sự hiểu biết của con người về liên kết giữa cụm các tế bào chuyên biệt, nhưng phối hợp và làm việc linh hoạt với nhau để thực hiện chức năng nhận thức cao hơn. Nó đã mở ra con đường mới cho nghiên cứu một số quá trình nhận thức khác, chẳng hạn như hình thành bộ nhớ, phát triển tư duy và lập kế hoạch…