Khi nhìn vào những hình minh hoạ về synapse chúng ta thường thấy màng trước synapse và màng sau synapse nằm chênh vênh giữa khoảng không gian trống rỗng. Vậy có bao giờ bạn tự nghĩ tại sao chúng không rời khỏi nhau? Hay thứ gì đó đã giữ nó lại?
Mình gửi đến các bạn bài dịch mình đọc được ở trang chia sẻ kiến thức Quora. Nó không chỉ ý nghĩa về mặt học thuật và còn cho chúng ta suy nghĩ về việc “Tự đặt câu hỏi cho bản thân”.
Nguồn: Prof. Ken Saladin; https://qr.ae/pNkFVM
Dịch: Thành Minh Khánh
————————————
Đây là một câu hỏi rất hay và không dễ để tìm ra câu trả lời một cách đơn giản. Kì lạ thay, câu trả lời tốt nhất đến nay là bởi một sinh viên khoa học thần kinh ẩn danh ở Johns Hopkins bởi vì nhân tính của người đóng góp không thể được xác nhận.
Đầu tiên, để tôi đoán rằng câu hỏi được nảy ra bởi các minh hoạ kì lạ về mô não như thế này. Những hình này cho thấy các neuron được bao quanh bởi một đại dương trống rỗng, điều này đã gây ra nhiều sai lệch. Thật vậy, chúng ta nên tự hỏi điều gì đã giữ các synapse lại với nhau. Bản thân nhà nghiên cứu bệnh học nổi tiếng thế kỷ 19 Rudolf Virchow cũng đã tự hỏi về điều này và cho rằng hệ thần kinh phải có một số loại mô liên kếtđể giữ mọi thứ ở đúng vị trí. Ông ấy đã tìm kiếm nó và phát hiện ra bộ não chứa đầy các tế bào không phải neuron (non-neuronal cells); Tôi nghĩ chính ông ấy đã đặt tên cho chúng là tế bào thần kinh đệm (neuroglia), glia có nghĩa là “keo dính”. Các nhà khoa học thần kinh thường nói (cũng như sách giáo khoa của tôi) rằng các tế bào thần kinh đệm nhiều hơn neuron với tỉ lệ 10: 1 và lấp đầy khoảng trống này, nhưng tỉ lệ này hiện này giờ hẳn là đã bị phóng đại [1].
Hình 1
Tuy nhiên, bất chấp cái tên “keo dính thần kinh”, các tế bào thần kinh đệm không giữ cho các synapse không bị rã ra. Chúng ta vẫn giữ tên gọi neuroglia, nhưng chúng ta không nghĩ về nó như một loại keo hay chất kết dính nữa.
Hình 2
Chúng ta hãy xem xét phỏng đoán do một bạn đã đưa ra, rằng các neuron và tế bào thần kinh đệm được “đóng gói” quá dày đặc (giống như một toa tàu điện ngầm đông nghịt người ở Nhật Bản) đến mức không có chỗ để di chuyển và do đó các synapse không thể tách rời. Có thể có một số sự thật cho điều đó. Dưới đây là một số hình ảnh hiển vi điện tử có màu của synapse. Trên thực tế bạn có thể thấy rằng các neuron được bao quanh dày đặc bởi các tế bào khác, không có chỗ để di chuyển. Điều này là thực tế bị các hoạ sĩ xem thường. Bộ não thực ra không có không gian trống trải như những hình vẽ mô tả. Các hoạ sĩ có một nội dung hướng đến và do đó họ bỏ qua tất cả những thứ “lộn xộn” để nó không làm mất đi điểm quan trọng của họ. Nhưng sự lộn xộn đó là rất quan trọng.
Mặc dù vậy, tôi cũng không thấy giả thuyết “đóng gói” là một câu trả lời thỏa đáng. Chỉ riêng việc đóng gói dày đặc là không đủ để đảm bảo sự liên kết chính xác của các tế bào trước synap và sau synap cần thiết cho chức năng của synapse — chẳng hạn như giữ cho vị trí các túi synaspe giải phóng trực tiếp các chất dẫn truyền thần kinh qua khe đến các receptor ở tế bào khác. Giả thuyết đóng gói giống như bạn nghĩ rằng bạn có thể chế tạo một chiếc điện thoại di động chỉ bằng cách xếp các linh kiện điện tử để chúng chạm vào nhau khi cần thiết, sau đó xịt bọt lên mạch để làm rắn chắc và giữ chúng ở vị trí đó, hy vọng rằng tất cả mọi thứ sẽ gắn kết với nhau qua nhiều năm sử dụng. Điều đó sẽ không xảy ra, có nhiều thứ hơn việc chỉ gói chặt một loạt các tế bào khác vào syanapse sẽ giữ chúng lại với nhau vĩnh viễn.
Điều này đưa chúng tôi đến câu trả lời sắc sảo của sinh viên trường Johns Hopkins ẩn danh của chúng tôi, người đã đưa cho tôi đường dẫn Google nơi mà tôi tìm thấy thông tin hài lòng nhất. Trong toàn bộ cơ thể, các tế bào và mô được liên kết với nhau bằng các protein bề mặt tế bào và glycoprotein (các phức hợp protein-carbohydrate) được gọi là các phân tử kết dính tế bào (cell-adhesion molecules, CAM). CAM giữ cho các tế bào cơ của tim bạn không bị tách rời ra theo mỗi nhịp tim, ngăn không cho lớp niêm mạc thực quản của bạn bị bong tróc bởi mỗi miếng thức ăn bạn nuốt vào, làm cứng lớp biểu bì của bạn chống lại tất cả những tác động mà nó phải chịu đựng trong suốt cuộc đời, gắn kết tinh trùng với trứng, …
Các hình minh họa vẽ synapse – đặc biệt là những hình như các tác phẩm nghệ thuật ở trên và thậm chí là các hình minh họa trong sách giáo khoa của tôi – phóng đại đáng kể chiều rộng của khoảng cách giữa hai tế bào thần kinh, khe synapse (synaptic cleft). Để minh hoạ chính xác đặc điểm ở đó bạn nên xem những từ các ảnh hiển vi điện tử ở trên. Ngay cả khi đó, hãy nhớ rằng các tế bào và mô đã co lại khi được chuẩn bị cho kính hiển vi với các chất cố định và tác nhân khử nước khác nhau mà các nhà mô học sử dụng, vì vậy khoảng trống trong các hình ảnh vi thể đó thậm chí còn rộng hơn so với hình ảnh thật ở cơ thể sống. (Đây được gọi là fixation artifact — một diện mạo không tự nhiên do các thao tác của nhà khoa học tạo ra). Khe synapse thường rộng khoảng 20 nanomet. Đó là một con số có ý nghĩa hơn khi chúng tôi đặt nó dưới góc độ; màng tế bào của mỗi neuron dày khoảng 7,5 đến 10 nm, vì vậy khe synapse chỉ rộng gấp đôi màng tế bào đơn lẻ.
Hơn nữa, khe synapse cũng không rỗng. Nó chứa đầy protein và glycoprotein với nhiều chức năng khác nhau — thứ mờ ảo mà tôi đã đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ trong hai bức ảnh này. (Bức ảnh bên trái cho thấy chất liệu gian bào lấp đầy khe synapse). Hầu hết các protein trong khe synapse đều có chức năng vẫn chưa được biết đến, do những khó khăn về mặt kỹ thuật đã gây cản trở trong việc tìm ra chúng [2].
Hình 3
Tuy nhiên, hai trong số những protein được hiểu rõ nhất là neurexin (Nrxns) và neuroligins (Nlgns) được đề cập bởi sinh viên Hopkins — điểm mà tôi đã học được điều gì đó mới lạ bằng cách trả lời câu hỏi này và thậm chí có thể sửa đổi một hoặc hai cuốn sách giáo khoa vì nó . Trong quá trình hình thành synapse (synaptogenesis), neuron tiền synapse (bên trái, trong hình bên dưới [2]) tổng hợp neurexin và lắp đặt chúng vào màng trước synapse của neuron đó, trong khi neuron sau synapse tổng hợp neuroligin và lắp đặt chúng vào màng sau synapse.
Neurexin và neuroligin tạo ra các liên kết qua khe synapse giúp sắp xếp hai neuron trước – sau synapse và giữ chúng thẳng hàng trong suốt phần đời còn lại của synapse (xem phần hộp đứt nét trong hình trên). Hình ảnh tiếp theo (cũng từ [2]) cho thấy cách thức mà các protein này liên kết với nhau ở mức phân tử. Phần trên và dưới của hình, trên và dưới màng xám, là phần bên trong của hai tế bào neuron. Khoảng trống ở giữa nơi mà Nrxns và Nlgns cuốn vào nhau là khe synapse.
Hình 4
Các cơ chế khác đưa các tế bào neuron lại gần nhau để tạo thành các synapse trong quá trình phát triển phôi thai và sau này, nhưng các synapse mới được ổn định bởi các neurexin và neuroligin. “Không có [chúng], các synapse liền lại, nhưng không hoạt động bình thường” [2]. Những liên kết này không chỉ hình thành trong quá trình phát triển phôi thai mà trong suốt cuộc đời, vì chúng ta phá bỏ các synapse và xây dựng các synaspe mới miễn là chúng ta còn sống, tạo ra và loại bỏ, củng cố hoặc làm suy yếu các luồng trí nhớ, kỹ năng vận động, xử lý giác quan, …. – được gọi chung là synaptic plasticity (tính mềm dẻo của synapse).
Tuy nhiên, neurexin và neuroligin không chỉ cung cấp liên kết cơ học. Chúng đóng vai trò sinh lý tích cực trong giao tiếp qua synapse. Trích dẫn từ bản tóm tắt của Südhof [2]:
“Neurexin và neuroligin là các phân tử kết dính tế bào tiếp hợp kết nối các tế bào thần kinh trước và sau synapse tại synapse, làm trung gian truyền tín hiệu xuyên qua synapse và định hình các thuộc tính mạng lưới thần kinh bằng cách chỉ định các chức năng của synapse. Ở người, những thay đổi ở gene neurexin hoặc neuroligin có liên quan đến chứng tự kỷ và các bệnh nhận thức khác, sự kết dính của tế bào synapse lại với nhau với nhận thức và các rối loạn nhận thức. Do đó, neurexin và neuroligins là những thành phần cốt lõi của bộ máy phân tử điều khiển quá trình truyền qua synapse và cho phép mạng lưới thần kinh xử lý các tín hiệu phức tạp.”
Südhof nhận xét về tầm quan trọng của sự liên kết chính xác synapse của hai protein này và các đột biến khiến các kết nối này bị lỗi, để hiểu các rối loạn như tự kỷ, tâm thần phân liệt và hội chứng Tourette.
Ở một câu hỏi có liên quan, neurexin đã được phát hiện bằng cách tìm kiếm cơ chế mà nọc độc của nhện góa phụ đen, latrotoxin, kích hoạt sự giải phóng lớn chất dẫn truyền thần kinh tại các khớp thần kinh. Neurexin là các thụ thể latrotoxin. Đây là một ví dụ điển hình về tầm quan trọng, những khám phá sâu rộng đến từ việc tìm kiếm mày mò về những câu hỏi dường như không liên quan; làm thế nào “khoa học thuần túy” có thể dẫn đến những khám phá với những phân nhánh đáng ngạc nhiên và ứng dụng cho sự hiểu biết bản thân của con người. Ai có thể tưởng tượng rằng việc tìm kiếm vị trí liên kết của nọc độc nhện sẽ dẫn đến sự hiểu biết phân tử về các khía cạnh quan trọng của chứng tự kỷ hoặc tâm thần phân liệt?
Hình 5
Một chút thông tin khác: các gene neuroligin nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X, nhấn mạnh điểm mà hầu hết các gene liên kết X không liên quan gì đến giới tính. (Vì XX hay XY thì đều có X cả)
Cảm ơn câu hỏi kích thích tư duy, và cảm ơn sinh viên Hopkins vì đã dẫn tôi đến neurexin và neuroligin. Tôi đã cho synapse của mình tập luyện, không nghi ngờ gì nữa, tôi đã sử dụng neurexin và neuroligin của riêng mình, và tôi đã học được một điều quan trọng vào sáng nay từ bạn. Tôi hy vọng đó là sự học hỏi lẫn nhau.
References
1. C. S. von Bartheld, J. Bahney, and S. Herculano-Houzel. 2016. “The search for true numbers of neurons and glial cells in the human brain: A review of 150 years of cell counting”. The Journal of Comparative Neurology. 524 (18): 3865–3895. doi:10.1002/cne.24040. ISSN 1096-9861. PMC 5063692. PMID 27187682.
2. T. C. Südhof. 2008. Neuroligins and Neurexins Link Synaptic Function to Cognitive Disease. Nature 455:903–911.
3. All images not otherwise credited are from Google Images.
