Các nhà khoa học của Harvard và các nhà nghiên cứu của Google đã tạo ra bản tái tạo 3D lớn nhất từ trước đến nay của bộ não con người.
Mặc dù chỉ là một milimet khối mô não nhưng bản đồ này chứa 57.000 tế bào, 230 mm mạch máu và 150 triệu khớp thần kinh. Nỗ lực này đã dẫn đến việc tạo ra 1.400 terabyte dữ liệu mà nhóm đã cung cấp dưới dạng tài nguyên trực tuyến.
Công trình tiên phong này được dẫn đầu bởi Tiến sĩ Jeff Lichtman, một nhà thần kinh học và là giáo sư sinh học phân tử và tế bào thuộc lĩnh vực kết nối học (connectomic). Đây là một lĩnh vực khá mới dành riêng cho việc tạo ra các danh mục toàn diện về cấu trúc của não cho đến cấp độ tế bào riêng lẻ. Người ta tin rằng những bản đồ phức tạp như vậy có thể mở ra những hiểu biết vô giá về chức năng não và các bệnh tật, một điều vốn vẫn còn là bí ẩn đối với các nhà khoa học và chuyên gia chăm sóc sức khỏe.
Các nhà nghiên cứu đã làm những gì?
Bản đồ não làm nổi bật một phần rất nhỏ của vỏ não thái dương ở cấp độ tế bào, cho thấy từng kết nối thần kinh trong một khu vực có diện tích tương đương với nửa hạt gạo. Bản đồ não bao gồm các chi tiết chưa từng thấy trước đây về cấu trúc của não, chẳng hạn như một tập hợp các sợi tuy mỏng và hiếm có nhưng lại rất mạnh mẽ, cho phép các tế bào thần kinh giao tiếp và truyền các xung điện.
Để tạo ra bản đồ não, các nhà nghiên cứu đã lấy mẫu não của một bệnh nhân động kinh đang trải qua phẫu thuật để điều trị tổn thương ở vùng hải mã. Các nhà khoa học đã sử dụng một kính hiển vi điện tử nối tiếp công suất cao để chụp ảnh mẫu.
Bộ dữ liệu cho phép nhóm nghiên cứu tái tạo lại hàng nghìn tế bào thần kinh, hơn 100 triệu kết nối khớp thần kinh và tất cả các thành phần mô khác tạo nên bộ não con người, bao gồm các tế bào thần kinh đệm (một bộ phận bao quanh tế bào thần kinh và giữ chúng ở đúng vị trí), mạch máu và myelin (một lớp mỡ bảo vệ xung quanh dây thần kinh).
Trong khi kết quả nghiên cứu ban đầu được công bố trên tập san Khoa học (Science), nhóm nghiên cứu cũng đã thiết lập dữ liệu miễn phí trên mạng để cung cấp thêm các công cụ cho những phân tích sâu hơn và hiệu đính.
Các nhà nghiên cứu đã học được gì?
Việc tái tạo não bộ cho phép nhóm nghiên cứu có được những hiểu biết sâu sắc về cấu tạo của não người. Bản phân tích cho thấy các tế bào thần kinh đệm, một bộ phận của não và hệ thần kinh nhưng khác biệt với tế bào thần kinh, nhiều gấp đôi tế bào thần kinh. Không giống như tế bào thần kinh truyền xung thần kinh, tế bào thần kinh đệm đóng vai trò quan trọng trong chức năng khớp thần kinh và có thể ảnh hưởng đến việc xử lý thông tin.
Bản phân tích sâu hơn về bộ não cho thấy rằng oligodendrocytes, một loại tế bào thần kinh đệm chịu trách nhiệm tạo ra và duy trì vỏ myelin xung quanh các sợi thần kinh, là loại tế bào phong phú nhất. Vỏ myelin được hình thành đúng cách là điều cần thiết, vì sự vắng mặt của vỏ myelin có thể dẫn đến các rối loạn thần kinh khác nhau, ví dụ như suy giảm khả năng vận động, thị lực, ruột hoặc chức năng bàng quang — trong đó bệnh đa xơ cứng là một ví dụ phổ biến của bệnh thiếu hụt myelin.
Nhóm nghiên cứu cũng xác định được một loại tế bào thần kinh trước đây chưa được công nhận, cũng như “đầu vào sợi trục mạnh mẽ hiếm có” liên quan đến tới 50 khớp thần kinh.
Các nhà nghiên cứu viết, “Công trình nghiên cứu này cung cấp bằng chứng về tính khả thi của các phương pháp kết nối học (connectomic) trên người trong việc quan sát và đạt được cái nhìn sâu sắc cuối cùng về nền tảng vật lý của chức năng não lúc bình thường và lúc bị rối loạn của con người.”
Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một bản đồ toàn diện có độ phân giải cao về hệ thống dây thần kinh trong não chuột, một dự án sẽ chứa lượng dữ liệu nhiều hơn khoảng 1,000 lần so với mảnh vỏ não dày 1 milimet khối của con người được phân tích. Sáng kiến đầy tham vọng này được hỗ trợ bởi Sáng kiến Nghiên cứu Não thông qua Thúc đẩy Công nghệ Thần kinh Đổi mới, hay Sáng kiến BRAIN. Tiến sĩ Lichtman cho biết, “Ở cấp độ tế bào và khớp thần kinh, tất cả bộ não của động vật có vú về cơ bản đều giống nhau.”
Nam Khanh biên dịch.