Tế bào não mới sinh cải thiện khả năng định hướng của con người

Cơ thể con người tiếp tục sản sinh ra các tế bào não trong suốt cuộc đời – đó là một thực tế không cần bàn cãi. Nhưng tới nay, mục đích của sự sản sinh này vẫn là một đề tài gây tranh cãi trong giới khoa học. Giờ đây, nhóm nghiên cứu quốc tế đã tiến một bước dài trong việc tìm hiểu xem những tế bào não sinh sau đẻ muộn thực sự đảm nhiệm vai trò gì. Kết quả nghiên cứu mới công bố trên tờ Science hôm 10/7 vừa qua đã giải thích rõ các nơron trẻ giúp cải thiện khả năng định hướng môi trường xung quanh như thế nào.

“Chúng tôi tin rằng những tế bào não mới sinh giúp con người phân biệt được kí ức về không gian,” tiến sĩ Fred H. Gage, giảng viên thuộc phòng thí nghiệm Gen viện Salk, tác giả cấp cao của nghiên cứu cho biết. Hợp tác cùng ông trong nghiên cứu là các nhà khoa học: tiến sĩ Timothy J. Bussey, giảng viên cấp cao khoa Tâm lý học Thử nghiệm đại học Cambridge, và tiến sĩ Roger A. Barker, cố vấn danh dự về thần kinh học tại bệnh viện Adddenbrookes, giảng viên trường đại học Cambridge.

Khi những manh mối đầu tiên cho thấy não người trưởng thành tiếp tục sinh ra các nơron mới, thuyết được ủng hộ mạnh mẽ trong khoa học thần kinh trước đây – theo đó suốt cuộc đời con người chỉ mang trong não bộ những tế bào thần kinh sẵn có khi vừa sinh ra – đã gần như bị phủ nhận hoàn toàn. Mặc dù không dễ gì để thay đổi một nguyên lý đã được chấp nhận rộng rãi, nhưng sau một thập kỉ, người ta đã hoàn toàn chấp nhận rằng con người có sinh thêm các tế bào thần kinh trong quá trình phát triển, và câu hỏi duy nhất được quan tâm hiện giờ là những tế bào mới sinh ra này đảm nhận vai trò gì.

“Tạo ra thêm các nơron có thể là một quá trình hết sức rắc rối nếu như chúng không hòa nhập tốt vào hệ thống các tế bào thần kinh sẵn có,” Gage cho biết. “Hẳn phải có một ích lợi rõ ràng nào đó bù đắp cho rủi ro này.”

Khu vực sinh ra nhiều nơron mới nhất nằm ở vùng mã ngư, một vùng nhỏ có hình dáng giống con cá ngựa nằm sâu bên trong não. Nó có chức năng xử lý và sắp xếp các dữ liệu trí nhớ vào các khu vực lưu trữ hợp lý sau khi đã chuẩn bị sẵn sàng thông tin để sau này dễ dàng gọi ra.

Hình ảnh mô tả nhiệm vụ trong đó chuột phải chọn ra một vật cụ thể ở đúng vị trí của nó trên màn hình cảm ứng để nhận được phần thưởng. Những con chuột trưởng thành bị thiếu hụt nơron thần kinh sinh thêm có khiếm khuyết cụ thể trong việc phân biệt vị trí. Các nơron mới sinh được thể hiện bằng màu đỏ trên hình nền. (Ảnh: thuộc bản quyền Jamie Simon, Viện Nghiên cứu Sinh học Salk)

“Hàng ngày chúng ta có vô số trải nghiệm liên quan tới thời gian, cảm xúc, kế hoạch, cùng rất nhiều kích thước khác,” Gage giải thích. “Tất cả các thông tin đến từ vỏ não rồi được chuyển qua vùng mã ngư. Ở đó, chúng được “gói” lại với nhau trước khi chuyển trở lại vỏ não - nơi lưu trữ lâu dài.

Các nghiên cứu trước đây do một số phòng thí nghiệm tiến hành bao gồm cả nhóm của Gage cho thấy các nơron mới bằng cách này hay cách khác sẽ đóng góp vào một quá trình tiếp thu và ghi nhớ độc lập với quá trình trong vùng mã ngư, nhưng chức năng cụ thể của những nơron này vẫn là một câu hỏi mở.

Nếp cuộn có răng cưa là “đài tiếp âm” đầu tiên trong vùng mã ngư đối với các thông tin đến từ vỏ não. Trong khi di chuyển qua, các tín hiệu được chia nhỏ và phân bổ gấp 10 lần số lượng tế bào. Quá trình này mang tên “phân chia mẫu”, có vai trò giúp não phân chia các sự kiện đơn lẻ vào các nhóm kí ức tương tự nhau. “Do nếp cuộn răng cưa cũng là nơi xuất hiện các nơron sinh sau, ban đầu chúng tôi nghĩ rằng tạo ra thêm nơron mới sẽ trợ giúp cho quá trình phân chia mẫu,” Gage nói.

Giả thuyết này cho phép nghiên cứu sinh Claire Clelland thiết kế được các thí nghiệm để kiểm tra cụ thể chức năng này của các nếp cuộn răng cưa với việc sử dụng các nhiệm vụ hành động khác nhau và hai chiến lược riêng biệt làm tắt sự sản sinh thêm tế bào thần kinh mới ở nếp cuộn răng cưa.

Trong chuỗi thí nghiệm thứ nhất, chuột phải học vị trí của một phần thưởng thức ăn ở vị trí tương tự phần thưởng trước đó trong một mê cung tỏa tròn có 8 đầu ra. “Những con chuột không sản sinh ra thêm nơron thần kinh rất dễ dàng tìm ra vị trí mới nếu 2 vị trí này cách xa nhau,” Clelland cho biết, “nhưng chúng không thể phân biệt được 2 vị trí nếu chúng ở gần nhau.”

Một thí nghiệm sử dụng màn hình cảm ứng đã xác nhận yếu kém năng lực ở những con chuột thiếu nơron sinh thêm trong khi phân biệt giữa các vị trí nằm gần nhau. Nhưng nhìn chung, những con chuột này không gặp khó khăn trong khả năng nhớ lại các thông tin không gian.

"Sinh ra thêm nơron thần kinh mới giúp chúng ta phân biệt tốt hơn và đóng vai trò cụ thể trong việc hình thành trí nhớ về không gian,” Clelland nói. Gage cũng cho biết thêm, rằng “Thông tin về mối liên quan giữa các sự kiện riêng biệt có một giá trị nhất định, và các sự kiện này càng gần nhau bao nhiêu thì thông tin càng trở nên quan trọng bấy nhiêu.”

Nhưng quá trình phân chia mẫu có lẽ không phải là chức năng duy nhất của các nơron mới sinh ra: một mô hình máy tính mô phỏng sự di chuyển vòng quanh nếp gấp răng cưa của nơron dựa trên tất cả các thông tin sinh học đã gợi ý rằng những nơron này có một chức năng khác nữa. “Chúng tôi rất ngạc nhiên khi nhận thấy, hóa ra những nơron mới sinh thực sự hình thành một đường dẫn giữa các yếu tố đơn lẻ xuất hiện gần nhau trong một chuỗi,” Gage nói.

Hiện tại, ông cùng nhóm nghiên cứu đang lên kế hoạch tiến hành các thí nghiệm để kiểm tra xem liệu những nơron mới sinh có đóng vai trò quan trọng nào đó trong việc mã hóa các mối quan hệ về không gian và thời gian hay không.

Nghiên cứu cũng ghi nhận sự tham gia đóng góp của các nhà khoa học: M. Choi, A. Fragniere, and P. Tyers đến từ Trung tâm Phục hồi Não thuộc Đại học Cambridge; C. Romberg và L. M Saksida từ Khoa Tâm lý học Thử nghiệm, đại học Cambridge; nghiên cứu sinh G. Dane Clemenson Jr. đến từ Phòng thí nghiệm Gen, viện Nghiên cứu Sinh học Salk; và S ebastian Jessberger đến từ Viện Sinh học Tế bào, viện Công nghệ Liên bang Zurich, Thụy Sĩ.