Nobel Sinh lí học hay Y học 2014: John O’Keefe và May-Britt Moser & Edvard I. Moser

Cho khám phá về các tế bào tạo nên hệ thống định vị trong bộ não

Làm sao chúng ta biết được mình đang ở đâu? Làm sao chúng ta có thể tìm được lối đi từ nơi này đến nơi kia? Và làm sao chúng ta có thể lưu trữ thông tin này theo một cách thức mà từ đó mình có thể ngay lập tức tìm ra được lối đi vào lần tới khi ta dò theo cùng con dường đó? Các khôi nguyên Nobel năm nay đã khám phá ra được một hệ thống định vị, một “GPS nội tại” trong bộ não khiến ta có thể định hướng bản thân trong không gian, biểu thị một cơ sở tế bào cho chức năng tri nhận cao hơn.

Năm 1971, John O’Keefe khám phá thành tố đầu tiên của hệ thống địn vị này. Ông phát hiện một loại tế bào thần kinh trong một khu vực não bộ mang tên đồi hải mã (hippocampus) vốn luôn được kích hoạt khi con chuột ở một vị trí nhất định trong căn phòng. Những tế bào thần kinh khác được kích hoạt khi con chuột đó ở vị trí khác. O’Keefe kết luận những “tế bào vị trí” (place cell) đó hình thành nên tấm bản đồ cho căn phòng ấy.

Hơn ba thập niên sau, năm 2005, May-Britt và Edvard Moser khám phá một thành tố then chốt khác của hệ thống định vị não bộ này. Họ nhận dạng được một loại tế bào thần kinh khác, mà họ gọi là các “tế bào ô lưới” (grid cell), chúng tạo ra một hệ thống điều phối và cho phép việc định vị và tìm đường chuẩn xác. Nghiên cứu sau đó của họ chứng tỏ được cách mà những tế bào vị trí và ô lưới có thể xác định chỗ và điều hướng.

Những khám phá của John O’Keefe, May-Britt Moser và Edvard Moser đã giải quyết được một vấn đề vốn choán hết tâm trí các triết gia và khoa học gia suốt nhiều thế kỉ – làm thế nào mà bộ não tạo ra được tấm bản đồ về không gian xung quanh ta và làm thế nào ta điều hướng được lối đi của mình qua một môi trường phức tạp?

Làm thế nào ta cảm nghiệm được môi trường quanh mình?

Cảm thức về vị trí và khả năng điều hướng là những thứ nền tảng cho sự hiện hữu của chúng ta. Cảm thức về nơi chốn mang lại một tri giác về địa điểm trong môi trường. Trong lúc điều hướng, nó được nối kết với cảm thức về khoảng cách dựa trên chuyển động và sự nhận biết về những địa điể trước đó.

Những vấn đề về vị trí và điều hướng đã cuốn hút các triết gia và khoa học gia suốt thời gian dài. Hơn 200 năm trước, triết gia Đức Immnanuel Kant đã biện luận rằng tồn tại một số năng lực tinh thần ở vai trò tri thức tiên nghiệm (a priori knowledge), độc lập với kinh nghiệm. Ông suy xét về ý niệm không gian như một nguyên lí được tích hợp sẵn trong tâm thức, một thứ mà qua đó cõi sống này được và hẳn là được tri giác. Với sự xuất hiện của tâm lí học hành vi vào giữa thế kỉ 20, những vấn đề này có thể được xử lí bằng thực nghiệm. Khi Edward Tolman xem xét bọn chuột di chuyển qua các mê cung, ông phát hiện rằng chúng có thể học cách điều hướng, và đề xuất rằng một “bản đồ tri nhận” được hình thành trong bộ não cho phép chúng tìm được lối đi. Nhưng các câu hỏi vẫn còn lởn vởn – làm thế nào một bản đồ như thế được trình hiện ra trong bộ não?

John O’Keefe và vị trí trong không gian

John O’Keefe hứng thú với bài toán làm thế nào bộ não kiểm soát hành vi, và vào cuối thập niên 1960, ông quyết định tấn công vào vấn đề này bằng các phương pháp sinh lí học thần kinh. Khi ghi nhận các tín hiệu từ những tế bào thần kinh đơn lẻ trong một phần bộ não mang tên đồi hải mã, nằm trong bọn chuột đang di chuyển tự do trong phòng, O’Keefe khám phá ra rằng những tế bào thần kinh nhất định được kích hoạt khi con vật đó nhắm tới một vị trí cụ thể trong môi trường (Hình 1). Ông có thể chứng minh rằng những “tế bào vị trí” này không chỉ đơn thuần là ngõ vào thu nhận hình ảnh, mà chúng còn xây dựng nên một bản đồ nội tại về môi trường đó. O’Keefe kết luận rằng đồi hải mã sản sinh ra vô vàn các bản đồ, là kết quả của hoạt động tập thể của các tế bào vị trí vốn được kích hoạt ở những môi trường khác nhau. Do vậy, kí ức về một môi trường có thể được lưu trữ thành một tổ hợp đặc biệt nào đó của các hoạt động của những tế bào vị trí ở đồi hải mã.

May-Britt và Edvard Moser tìm ra được các tế bào điều phối

May-Britt và Edvard Moser đang lập bản đồ cho các nối kết đến đồi hải mã trong bọn chuột đang di chuyển trong phòng thì họ phát hiện một mẫu hình hoạt động đáng kinh ngạc ở khu vực gần đó trong bộ não được gọi là vỏ não nội khứu (entorhinal cortex). Ở đây, các tế bào nhất định được kích hoạt khi con chuột băng qua nhiều chỗ được sắp xếp theo một ô lưới lục giác (Hình 2). Mỗi tế bào trong số này được kích hoạt theo một mẫu hình không gian độc nhất và khi thành một nhóm thì những “tế bào ô lưới” này cấu thành một hệ thống điều phối cho phép việc điều hướng không gian. Cùng với các tế bào khác thuộc vỏ não nội khứu vốn nhận được hướng của cái đầu và đường biên của căn phòng, chúng tạo thành các mạch cùng với những tế bào vị trí ở đồi hải mã. Hệ mạch này cấu thành một hệ thống định vị toàn diện, một GPS nội tại, trong bộ não (Hình 3).

Một nơi cho các bản đồ trong bộ não người

Những nghiên cứu gần đây bằng kĩ thuật chụp ảnh bộ não, cũng như nghiên cứu về các bệnh nhân trải qua phẫu thuật thần kinh, đã cung cấp chứng cứ cho thấy rằng tế bào vị trí và ô lưới cũng hiện hữu ở con người. Ở những bệnh nhân mắc bệnh Alzheimer, đồi hải mã và vỏ não nội khứu thường xuyên bị tác động ở giai đoạn đầu, và những người này thường đánh mất lối đi của mình và không thể nhận ra môi trường xung quanh. Do đó, kiến thức về hệ thống định vị này trong não bộ có thể giúp chúng ta hiểu được cái cơ chế làm cơ sở cho việc mất trí nhớ trầm trọng về không gian vốn là điều gây tác động đến những ai mắc bệnh này.

Việc khám phá hệ thống định vị trong não bộ tương ứng với sự chuyển dời hệ hình trong nhận thức của ta về việc làm thế nào các nhóm tế bào chuyên dụng lại có thể vận hành cùng nhau để thực thi những chức năng tri nhận cao hơn. Nó mở ra những cách thức mới mẻ để hiểu được những xử lí tri nhận khác, chẳng hạn như kí ức, tư duy và hoạch định.

 

Nobel Prize in Physiology or Medicine 2014

Ảnh minh hoạ: Mattias Karlén

Chuyển ngữ tại Sài-gòn
2014106

 

Nguồn:

“The 2014 Nobel Prize in Physiology or Medicine.” Nobelprize.org, 10/2014: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2014/press.html

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s