Hơn 100 năm trước, nhà sinh vật học người Đức Richard Semon đã đặt ra thuật ngữ "engram", có nghĩa là việc sản sinh ra trí nhớ sẽ gây ra những thay đổi vật lý hoặc hóa học nhất định trong não.
Quá trình hình thành kí ức
Các nhà khoa học giờ đây biết rằng khi một trải nghiệm mới hình thành nên ký ức dài hạn trong tâm trí chúng ta, các tế bào thần kinh cụ thể sẽ mã hóa các chi tiết mà khi được kích hoạt lại, chúng ta sẽ nhớ lại.
Những tế bào thần kinh quan trọng này còn được gọi là tế bào engram. Nhờ những cải tiến trong công nghệ trong vài năm qua, các nhà khoa học hiện có thể phóng to chi tiết bên trong tế bào engram ở độ phân giải cao hơn và theo dõi chặt chẽ quá trình hình thành trí nhớ.
Theo một bài báo nghiên cứu được xuất bản trên Nature Neuroscience, nhóm của Giáo sư Li-Huei Tsai từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã lần đầu tiên tiết lộ rằng di truyền biểu sinh xảy ra trong vật liệu di truyền trong tế bào engram tại các giai đoạn khác nhau của quá trình hình thành trí nhớ. Và những thay đổi quy mô lớn trong cấu trúc 3D của bộ gene quy định sự biểu hiện của các gene cụ thể liên quan đến việc lưu trữ bộ nhớ.
Để theo dõi các tế bào engram, các nhà khoa học đã chuyển hướng nghiên cứu sang những con chuột biến đổi gene đặc biệt. Bộ gene của chúng được gắn thẻ bằng các protein huỳnh quang và các tế bào phát sáng khi chúng biểu hiện Arc gene, có liên quan đến việc hình thành trí nhớ.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng những cú sốc nhẹ ở chân để tạo ra ký ức sợ hãi ở những vị trí cụ thể ở chuột và trong vùng hippocampus trong não của chúng, một vùng não quan trọng đối với học tập và trí nhớ dài hạn, các tế bào engram mã hóa trí nhớ được nhìn thấy có màu vàng huỳnh quang. Sau đó, các nhà nghiên cứu phân tích các tế bào phát sáng chi tiết hàng giờ và ngày sau khi bộ nhớ được hình thành và khi bộ nhớ được kích hoạt lại.
Một lát của toàn bộ não chuột, bạn có thể thấy các tế bào thần kinh phát sáng trong quá trình hình thành và nhớ lại trí nhớ.
Trong giai đoạn mã hóa của ký ức, họ nhận thấy những thay đổi tinh vi trong cấu trúc của chất nhiễm sắc trong nhân. Chất nhiễm sắc được hình thành bằng cách quấn chặt các sợi DNA và protein dài, khi các biến đổi biểu sinh ở một số vùng nhất định bị thay đổi để trở nên lỏng lẻo hơn, DNA tiếp xúc cho phép các gene trên đó dễ dàng "đọc".
Nhưng họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng các vùng lỏng lẻo không phải là các đoạn gene mã hóa, thay vào đó chúng chứa các trình tự không mã hóa được gọi là "bộ tăng cường". Các trình tự này phục vụ các gene cụ thể và giúp khởi động chúng.
Trong 5 ngày tiếp theo, giai đoạn củng cố trí nhớ, nhiều thay đổi hơn đã diễn ra trong cấu trúc 3D của chất tăng cường nhiễm sắc xung quanh, và nhiều chất tăng cường đã di chuyển đến gần các gene mà chúng phục vụ.
Tuy nhiên, cho đến thời điểm này, sự biểu hiện gene trong tế bào không thay đổi đáng kể như các nhà nghiên cứu mong đợi, kết quả mà theo lời của tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Asaf Marco, đã khiến họ thất vọng.
Trong quá trình hình thành trí nhớ, cấu trúc 3D của chất nhiễm sắc bị thay đổi, làm cho chất tăng cường tiến gần hơn đến vị trí bắt đầu biểu hiện gene.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đưa những con chuột trở lại môi trường mà ký ức được hình thành ban đầu. Khi ký ức được hồi sinh, biểu hiện gene diễn ra nhanh chóng. Nhiều gene được kích hoạt bởi chất tăng cường tham gia vào quá trình tổng hợp các protein tiếp hợp, dẫn đến các kết nối mạnh mẽ hơn giữa các tế bào thần kinh nhanh chóng hình thành.
Tiến sĩ Marco cho biết: "Chỉ sau đó, chúng tôi mới nhận ra rằng những thay đổi cấu trúc trước đây trong chất nhiễm sắc đang chuẩn bị cho các tế bào để tăng cường trí nhớ trong giai đoạn nhớ lại". Một chuyên gia khác nhận xét về quá trình hình thành trí nhớ: "Nó giống như khởi động trước khi tập luyện, chúng - các tế bào engram đã sẵn sàng để hoạt đọng, vì vậy chúng tôi có thể bắt đầu nhớ lại".
Trong quá trình nhớ lại, các protein liên quan đến việc lưu trữ trí nhớ được sản xuất với số lượng lớn, và các kết nối giữa các tế bào thần kinh được củng cố.
Tiến sĩ Marco kết luận: "Nghiên cứu này lần đầu tiên chỉ ra rằng sự hình thành trí nhớ được thúc đẩy bởi sự kích thích biểu hiện gene trong giai đoạn nhớ lại bởi các chất tăng cường bắt đầu bằng các sửa đổi biểu sinh".
Cơ chế hình thành trí nhớ dài hạn là gì?
Các nhà khoa học tại Trường Y Harvard đã cố gắng giải đáp bí ẩn này hơn nửa thế kỷ trước, với phát hiện của họ được công bố trên tạp chí học thuật hàng đầu - Nature.
Hãy quay ngược đồng hồ về năm 1986. Vào thời điểm đó, Giáo sư Michael E. Greenberg, tác giả tương ứng của nghiên cứu này, vừa đến Đại học Harvard.
Trong một nghiên cứu, ông và các cộng sự của mình phát hiện ra rằng một khi một tế bào thần kinh được kích hoạt, nó sẽ bắt đầu biểu hiện một gene có tên là Fos trong một khoảng thời gian ngắn. Mặc dù gene Fos mã hóa một yếu tố phiên mã, nhưng các nhà khoa học không biết nó đang thực sự làm gì, nhưng họ cho rằng nó được sử dụng như một dấu hiệu kích hoạt tế bào thần kinh.
Tuy nhiên các mẫu biểu hiện của Fos cho thấy rằng nó rất có thể liên quan đến một số chức năng của nơ-ron ảnh hưởng đến khả năng học và ghi nhớ của chúng ta.
Để kiểm chứng ý tưởng đó, trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã đặt những con chuột vào một môi trường mới và đánh giá hoạt động của các tế bào thần kinh chính trong hồi hải mã của chúng. Điều kỳ lạ là các tế bào thần kinh biểu hiện gene Fos không tụ lại với nhau sau khi tiếp xúc với môi trường mới, thay vào đó chúng nằm rải rác khắp nơi.
Điều này cũng có thể ảnh hưởng đến sự hình thành trí nhớ? Nghiên cứu sau đó đã xác nhận điều này. Sau khi ức chế các tế bào thần kinh sản xuất Fos, những con chuột bị suy giảm trí nhớ đáng kể và bị mắc kẹt trong mê cung và khó thoát ra ngoài. Điều này cũng cho thấy rằng các tế bào thần kinh biểu hiện Fos thực sự tham gia vào quá trình hình thành trí nhớ.
Sau khi tiếp xúc với môi trường mới, các tế bào thần kinh vùng hải mã biểu hiện gene Fos (màu đỏ) không tập trung mà nằm rải rác khắp nơi.
Sử dụng phương pháp di truyền quang học, các nhà khoa học đã kích hoạt các tế bào thần kinh khác xung quanh các tế bào thần kinh này và phát hiện ra rằng chúng bị ảnh hưởng bởi hai loại giữa các tế bào thần kinh: loại truyền tín hiệu ức chế trước đây được tăng cường và loại còn lại yếu đi.
Nếu bản thân nơ-ron không biểu hiện Fos, thì nó sẽ không có các đặc tính tương tự. Ngoài ra, mối quan hệ giữa việc kích hoạt các tín hiệu thần kinh này và các nơ-ron khác trong vòng lặp cũng rất quan trọng. Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng Fos có thể liên quan đến độ dẻo của các vòng dây cụ thể. Vì Fos là một yếu tố phiên mã, các nhà nghiên cứu tự nhiên nghĩ đến việc phân tích các gene khác mà nó kiểm soát.
Bằng cách sử dụng các phương pháp như giải trình tự tế bào đơn, họ đã xác định được một gene quan trọng gọi là Scg2, gene này ảnh hưởng đến tín hiệu ức chế. Nếu gene Scg2 ở chuột bất hoạt, các tế bào thần kinh kích hoạt Fos sẽ phát triển các khiếm khuyết trong việc tiếp nhận tín hiệu.
Tương ứng, những con chuột cũng gặp vấn đề với sóng não liên quan đến học tập và trí nhớ. Cụ thể, Scg2 mã hóa một neuropeptide được chia thành bốn dạng khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các tế bào thần kinh sử dụng các chuỗi thần kinh này để tinh chỉnh tín hiệu từ các tế bào thần kinh.
Tổng hợp lại, các nhà khoa học đề xuất một mô hình: khi tiếp xúc với một thứ gì đó mới, một cụm nhỏ tế bào thần kinh trong vùng hải mã sẽ đồng thời biểu hiện Fos, kích hoạt gene Scg2 và tạo ra neuropeptide tương ứng. Sau khi nhận được hướng dẫn từ các interneurons, các neuron này tạo thành một vòng lặp phối hợp.
"Khi các tế bào thần kinh trong hồi hải mã được kích hoạt, chúng không cần phải được kết nối theo cách đặc biệt trước đó. Các tế bào thần kinh giữa các tế bào thần kinh có các nhánh trục rất rộng có thể kết nối với nhiều tế bào cùng lúc và truyền tín hiệu. Đó có thể là các tế bào thần kinh bị cô lập này được kết nối trong", nhóm nghiên cứu cho biết.
Nghiên cứu này đưa ra cơ chế hình thành trí nhớ dài hạn dưới góc độ phân tử. Cho dù là để nghiên cứu sinh học cơ bản hay các bệnh liên quan đến trí nhớ, nó đều có ý nghĩa quan trọng.
Vì sao một số ký ức lại mất đi?
Thông tin đầu tiên được đưa vào trí nhớ ngắn hạn, nơi nó có thể được lưu trữ trong khoảng thời gian từ vài giây đến vài phút. Sau đó, nó được chuyển đến trí nhớ dài hạn thông qua các khu vực như vùng hải mã và cuối cùng đến một số vùng lưu trữ trên não.
Nếu hai nơ-ron thần kinh giao tiếp liên tục, hiệu quả giao tiếp giữa chúng tăng lên. Quá trình này, được gọi là điện thế dài hạn, được coi là một cơ chế giúp ký ức được lưu trữ lâu dài, nhưng làm thế nào một số ký ức lại bị mất đi?
Tuổi tác là một yếu tố. Vùng hải mã mất đi 5% số tế bào thần kinh mỗi thập kỷ và tổng số mất đi là 20% khi bạn 80 tuổi, dẫn đến sự sụt giảm sản xuất chất dẫn truyền thần kinh, như acetylcholine, chất rất quan trọng đối với việc học tập và trí nhớ. Những thay đổi này dường như ảnh hưởng đến cách mọi người truy xuất thông tin được lưu trữ.
Một nguyên nhân khác gây ra các vấn đề về trí nhớ là căng thẳng mãn tính. Những người trẻ khi liên tục bị quá tải bởi công việc và trách nhiệm cá nhân, cơ thể sẽ ở trong tình trạng cảnh giác cao độ. Phản ứng này phát triển từ cơ chế sinh lý được thiết kế để đảm bảo chúng ta có thể sống sót trong cơn khủng hoảng.
Các chất sinh ra giúp giảm căng thẳng sẽ huy động năng lượng và tăng sự tỉnh táo. Tuy nhiên, với tình trạng căng thẳng mãn tính, cơ thể chúng ta tràn ngập các hóa chất này, dẫn đến mất tế bào não và không có khả năng hình thành tế bào mới, ảnh hưởng đến khả năng ghi nhớ thông tin mới của chúng ta.
Trầm cảm là một thủ phạm khác. Những người bị trầm cảm có nguy cơ mắc các vấn đề về trí nhớ cao hơn 40%.