NHỮNG TẾ BÀO NÃO ĐỊNH HƯỚNG

Trông có vẻ vô lý khi so sánh bộ não của một con ruồi giấm bé tí teo với bộ não của một con voi hùng vĩ. Tuy nhiên, việc có thể tìm ra được những quy luật chung sâu xa của những bộ não khác nhau là giấc mơ của rất nhiều nhà khoa học thần kinh. Gilles Laurent – nhà khoa học thần kinh tại Viện Nghiên cứu Não bộ Max Planck ở Frankfurt, Đức – người đã thực hiện nghiên cứu trên rất nhiều loại động vật, từ cào cào đến rùa, đã nói: “Các phản ứng thần kinh có thể được mô tả bằng cùng một phép toán…trong các hệ thống não bộ hoàn toàn khác nhau.” Vivek Jayaraman, một nhà nghiên cứu tại Cơ sở Nghiên cứu Janelia của Viện Y khoa Howard Hughes, và là một cựu sinh viên của Laurent, tin rằng các nhà khoa học thần kinh đang trên đà xác định một số quy tắc thần kinh sâu này. Nghiên cứu được các quy luật này sẽ thúc đẩy một giấc mơ khác của các nhà khoa học thần kinh: có thể dự đoán hành vi của động vật dễ dàng như cách Newton dự đoán quỹ đạo của một vật thể chuyển động.

Jayaraman và một nhóm nhỏ các nhà nghiên cứu hệ thống định vị (GPS) của não bộ đã vui mừng khôn xiết khi khám phá ra một trong những quy luật đó. Hệ thống này chi phối một khả năng thiết yếu của các loài động vật – khả năng định vị và xác định vị trí. Hơn nữa, các thí nghiệm được thực hiện gần đây trên những con ruồi được kết nối với môi trường thực tế ảo – một thí nghiệm từ nhóm của Jayaraman và một thí nghiệm khác của Rachel Wilson (cựu nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ của Laurent) và các đồng nghiệp tại Harvard – cho thấy cách các tín hiệu thị giác của ruồi giấm đảm bảo sự ổn định trong hướng di chuyển của chúng. Phát hiện này cung cấp cái nhìn rõ ràng hơn về cách các loài động vật có vú, như chúng ta, có thể xây dựng bản đồ trong thế giới của riêng mình.

Khi bạn di chuyển tự do, một số tế bào thần kinh nhất định chỉ hoạt động khi bạn đang hướng mặt về một hướng cụ thể. Không quan trọng là bạn đang ở đâu – miễn là bạn đang tiếp tục nhìn về phía trước, theo hướng đó, các tế bào sẽ sáng lên. Các tế bào phụ trách phương hướng đầu con vật (T/N: head direction cell, những tế bào này hoạt động tựa như những kim chỉ nam; lúc con vật hướng về một phía nào đó thì các tế bào này được kích hoạt) ban đầu được xác định trong một vùng của não chuột rất gần và liên kết mật thiết với hồi hải mã – nơi lưu trú của các tế bào vị trí (place cells) – và là cơ sở cho hệ thống bản đồ đối chiếu của bạn. Có một số lượng lớn các tế bào vị trí này, nhưng bất kỳ một tế bào nào cũng chỉ hoạt động trong một vùng nhỏ nhất định của môi trường. Chúng hoạt động giống như một bản đồ, cho bạn biết bạn đang ở đâu. Tuy nhiên một bản đồ như vậy sẽ không giúp ích lắm nếu không biết bạn đang hướng đi đâu. Đó là lý do tại sao bộ não cũng tạo ra một chiếc la bàn, sử dụng tế bào phụ trách phương hướng đầu làm kim chỉ nam.

Điều đáng chú ý là hai hệ thống này có thể phối hợp hoạt động cùng nhau một cách hết sức chặt chẽ. Nếu bạn xoay các tín hiệu thị giác mà một con chuột sử dụng để xác định hướng đi của nó, thì các tế bào phụ trách phương hướng đầu sẽ tự chuyển đổi sang thế giới đã thay đổi này. Đồng thời, các tế bào vị trí của hồi hải mã cũng sẽ xoay bản đồ tinh thần. Hai nhóm tế bào này cung cấp các thông tin bổ sung, và nếu chúng được kết hợp chính xác với nhau thì sẽ đủ để giúp chuột di chuyển đến bất kỳ đâu trong môi trường của nó – ngay cả trong bóng tối. Nói cách khác, các tế bào phụ trách phương hướng đầu không chỉ phản ứng với các tín hiệu thị giác. Chúng duy trì hoạt động của mình ngay cả khi chuột không thể nhìn thấy môi trường xung quanh (hoặc khi bị che mắt). Làm thế nào để bộ não thiết lập một thứ giống-như-la-bàn hoạt động ổn định đến thế này? Khó hiểu hơn, làm thế nào mà nó có thể duy trì sự ổn định này mà không cần đến các tín hiệu thị giác?

Bằng chứng thực nghiệm ở chuột cống và chuột nhắt cho thấy cấu trúc giống-như-bánh-donut của các tế bào phụ trách phương hướng đầu giữ cho chiếc la bàn của não bộ có thể ổn định. Một bài báo năm 1995, “Mô hình thần kinh cơ bản của giúp chuột định hướng”, lần đầu tiên công bố hình ảnh chiếc bánh vòng, hay “hình nhẫn” này. Trong đó, William Skaggs và các đồng sự của ông từ Đại học Arizona đã đưa ra giả thuyết rằng các tế bào phụ trách phương hướng đầu – dường như không có bất kỳ cấu trúc nhóm đặc trưng nào có thể thấy được – kết nối với nhau để tạo thành một chiếc vòng tưởng tượng tạo ra bản đồ 360 độ của không gian hai chiều. “Mục đích của nỗ lực này là phát triển mô hình kiến trúc đơn giản nhất có thể phù hợp với dữ liệu có sẵn,” các nhà nghiên cứu viết. “Thực tế chắc chắn sẽ phức tạp hơn mô hình này.”

Mỗi tế bào, tương ứng với một điểm trên vòng, liên kết với một hướng nhìn cụ thể. Các tế bào lân cận trên vòng này tham chiếu đến các hướng liền kề và tương tự, và kích hoạt lẫn nhau, trong khi các tế bào ở xa nhau và tham chiếu đến các hướng nhìn đối lập hoặc gần đối lập, sẽ hủy kích hoạt lẫn nhau. Các nhà nghiên cứu đề xuất một quy tắc về cách mà thông tin từ các vùng thị giác của não đi vào “chiếc bánh donut” của các tế bào phụ trách phương hướng đầu, góp phần vào mô hình hoạt động đặc trưng của chúng. Chúng cũng kết hợp hệ tiền đình của não, có chức năng phát hiện sự quay của đầu, để cho phép “chiếc nhẫn” duy trì hoạt động của nó trong bóng tối. Mô hình đầu vào này chỉ cho phép một nhóm nhỏ các tế bào phụ trách phương hướng đầu lân cận sáng lên tại bất kỳ thời điểm nào. Nhóm hoạt động này này tương ứng với hướng nhìn của con chuột. Nếu con chuột, hoặc thế giới của nó, bị quay (chẳng hạn như con chuột bị lật ngửa) thì các kết nối trong chiếc vòng tế bào và thông tin thị giác đầu vào bị thay đổi sẽ khiến nhóm hoạt động này cũng quay theo.

Thêm phần thuận lợi cho nghiên cứu của Skaggs và các đồng nghiệp của mình, các nhà nghiên cứu đã xác định được một số tế bào dường như hoạt động theo mô hình toán học của chúng. Tuy nhiên vẫn tồn tại một lỗ hổng lớn: Có rất ít hiểu biết về cách bộ não chuyển đổi thông tin thị giác thành một cảm nhận hướng di chuyển ổn định. Ít nhất thì ở thời điểm hiện tại, thật quá khó để lập bản đồ hàng triệu tế bào và các kết nối phức tạp cho phép chuột cống và chuột nhắt cảm nhận được tín hiệu từ chiếc vòng này.

Giờ là lúc ta cần Jayaraman. Thực ra, ruồi giấm cũng có một vùng não dành riêng để duy trì cảm giác về phương hướng. Jayaraman cùng các đồng sự đã mô tả của mình cách đây chưa đầy một thập kỷ. Thật đáng kinh ngạc, nó là một vòng hình bánh donut giống hệt như cấu trúc của thuyết mạng lưới hình nhẫn ở chuột. Bất kỳ tế bào nhất định nào trong vòng tế bào này chỉ hoạt động khi con ruồi hướng về một hướng cụ thể – chính xác như các tế bào phụ trách phương hướng đầu ở loài gặm nhấm (và có lẽ ở chúng ta nữa). Khám phá này mang đến một cơ hội tuyệt vời, không chỉ để kiểm tra một mô hình mà các nhà khoa học đã phát triển cho một loài động vật bằng cách sử dụng một loài động vật hoàn toàn khác, mà còn xác định được quy tắc chung mà các bộ não các loài cùng sử dụng.

“Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp bằng chứng để hỗ trợ mô hình do Skaggs và cộng sự đưa ra,” Yvette Fisher, tác giả chính, nói với tôi. “Đặc biệt, yêu cầu của mô hình là các tín hiệu thị giác đến các nơron la bàn có thể thay đổi được.” Nói cách khác, hai nghiên cứu đã xác định một quy tắc hoặc cơ chế quyết định độ bền kết nối giữa các nơron trong vòng và sự thay đổi tín hiệu thị giác đầu vào. Tín hiệu thị giác của vòng ức chế hoạt động của tế bào phụ trách phương hướng đầu – nghĩa là tế bào phụ trách phương hướng đầu có kết nối yếu nhất với các tế bào thần kinh thị giác sẽ hoạt động.

Với Fisher, một nhà sinh học thần kinh, việc thấm đẫm tư duy tiến hóa có thể đã tạo hình nên kỳ vọng của cô ấy. Fisher nói: “Không có gì đáng ngạc nhiên khi các nguyên tắc chung tồn tại khi mạch nơron được đòi hỏi phải chịu những ràng buộc tương tự. “Sự định hướng có một số đòi hỏi rộng rãi tương tự đối với tất cả các loài động vật.” Với những điểm tương đồng này, các quy tắc mà những nhà nghiên cứu xác định có thể truyền cảm hứng cho những người khác hiểu được quá trình tương tự ở động vật có vú. Các nguyên tắc chung, như mô hình mạng lưới chiếc nhẫn để tính toán hướng đi, cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cách tất cả các loài động vật hoạt động. Các nhà khoa học có thể sử dụng chúng để dự đoán một số hành vi của động vật, chẳng hạn như việc một con ruồi giấm nghĩ rằng nó đang rẽ phải hay trái.

Hơn thế nữa, các nhà khoa học hiện đã có một mô hình cơ sở mà từ đó họ có thể biết các loài động vật cụ thể sẽ khác nhau như thế nào. Ví dụ như chuột, một động vật sống trên mặt đất, có thể bị hạn chế bởi mô hình xác định hướng hai chiều thì chim và dơi và một số loại côn trùng có thể bay. Trong khi phần lớn công việc nghiên cứu trên ruồi tập trung vào ruồi đi bộ, nghiên cứu gần đây về loài dơi đã tìm ra một bản đồ ba chiều trong não bộ của chúng.

Vẫn còn đó một câu hỏi bỏ ngỏ liệu thuật toán thần kinh tương tự có mở rộng từ hai đến ba chiều trong những động vật này hay không. Có khả năng chúng ta sẽ khám phá ra được những cơ chế thú vị hơn chẳng hạn như cách mà một số loài động vật có thể định hướng ở một khoảng cách xa: kiến sa mạc có thể xác định vị trí làm tổ của chúng, một cấu trúc đường hầm ba chiều, cách xa vạn dặm, và nhiều loài chim di cư có thể trở lại cùng một vị trí từ năm này qua năm khác. Fisher tin rằng câu trả lời sẽ đến từ việc mô tả đặc điểm đa dạng của bộ não và so sánh các thuật toán mà mỗi sinh vật đã tiến hóa.

______________________