Lung linh kì thú 80.000 Nơron thần kinh phát sáng trong não cá

Video trên cho thấy 80000 nơron, chiếm 80% nơron thần kinh trong não của một cá ngựa vằn phát sáng tương tự như phản ứng của động vật mà chúng ta quan sát được. 

Các nhà khoa học đã thực hiện video này nói rằng đó là kỹ thuật chụp ảnh mới được gọi là “light-sheet”, sẽ cho phép họ nghiên cứu chi tiết  về cơ chế thần kinh chỉ đạo hành vi vốn chưa từng được biết đến.

Nhà thần kinh học Jeremy Freeman ở trung tâm Janelia Farm Research Campus của Viện y khoa Howard Hughes tại Ashburn, Virginia nói: “Phải có nguyên tắc cơ bản để điều hành các nơron thần kinh tổng hợp thông tin và chỉ dẫn hành vi. Nhờ hệ thống mới chúng tôi ghi lại được sự phát sáng của nơron thần kinh toàn bộ não để có thể bắt đầu hiểu về những quy tắc này”.

Cố gắng tìm hiểu cách động vật chuyển động và nhận thức thế giới xung quanh nó từ hoạt động của một vài nơron thần kinh giống như việc cố gắng hiểu ra cốt truyện của một bộ phim từ sự nhấp nháy của hàng loạt điểm ảnh ngẫu nhiên. Nhưng điều đó cũng tương tự như những gì mà các nhà thần kinh học đã và đang làm trong nhiều thập kỷ qua: sử dụng dây điện cực mảnh hoặc lưới điện để nhận tín hiệu từ (tốt nhất) vài trăm hay hàng triệu, thậm chí hàng tỷ nơron thần kinh.

Trong một bài báo trên Nature Methods, Freeman và các đồng nghiệp mô tả cách thức họ sử dụng sự kết hợp của kỹ công nghệ di gen và quang học để nắm bắt hoạt động của khoảng 80.000 nơron thần kinh trong não bộ của ấu trùng cá ngựa vằn. Các nhà khoa học sử dụng biến đổi di truyền trên cá ngựa vằn, họ đã tiêm một chất chỉ thị hóa học vào trong mỗi nơron thần kinh. Trong phần mười giây sau khi nơron thần kinh được kích thích, chất chỉ thị này sẽ phát huỳnh quang. Con cá nhanh chóng được các chùm tia laser quét qua, các nhà khoa học làm cho các nơron thần kinh bị kích thích phát sáng. Ánh sáng từ mỗi nơron thần kinh có thể được chụp lại nhờ kỹ thuật chụp ảnh mới “light-sheet”.

Lúc bắt đầu của video, cá đang nghỉ ngơi và khu vực não trước ở rìa bên phải đang nhấp nháy, điều đó có thể là biểu hiện con cá đang nghỉ ngơi.

Các nhà khoa học sau đó đã tạo ra ảo giác rằng con cá đang trôi ngược dòng bằng cách trượt các thanh ngang trước mắt của nó. Mục đích kích thích chúng cố gắng bơi theo kịp dòng nước và được đo lường với các điện cực trên cơ bắp của chúng. Khi các thanh ngang bắt đầu trượt, một vài nơron thần kinh ngay phía sau đôi mắt sáng lên theo sau là vô hạn liên tầng của hoạt động bao gồm cả những dao động mạnh biểu thị chúng khởi động bơi.

Nghiên cứu trước đây của phòng thí nghiệm này và những nơi khác đã xem xét não cá ngựa vằn ở độ phân giải cao, nhưng nghiên cứu này đánh dấu lần đầu tiên chụp được một bộ não hoàn chỉnh trong khi con cá đang nhìn và hành động. Từng khung hình của video cho thấy ảnh chụp nhanh (khoảng nửa giây) hoạt động của bộ não. Các bức ảnh chụp được nhờ kỹ thuật mới này đủ nhanh để xác định vùng nơron thần kinh tham gia vào một hành vi nhất định nhưng lại quá chậm để tính xem chúng phát sáng bao nhiêu lần.

Thí nghiệm cung cấp một cái nhìn đáng chú ý cho một sự kiện nổi tiếng được gọi là điều khiển có chọn lọc, hiện diện trong con người, khỉ, ếch, và cá. Đối với mỗi phương diện không gian sẽ có một số nơron thần kinh điều chỉnh để ứng phó và chuyển động theo phương diện đó. Ví dụ, khi một đối tượng di chuyển từ trái sang phải thông qua lĩnh vực thị giác thì một số nơron thần kinh sẽ sáng lên và qua đó thông tin cho phần còn lại của não. Nghiên cứu này đã vẽ một bức tranh về điều khiển có chọn lọc trong toàn bộ não cá ngựa vằn.

Nơron thần kinh trong não cá ngựa vằn có màu bởi phương diện về chuyển động của chúng được ứng phó tốt nhất. Những chỗ có màu đo đỏ nhận biết khúc quanh và vị trí màu xanh là nhận thấy quy trình tiến lên. Nơron thần kinh màu trắng tương ứng với mọi hướng còn màu đen thì không ứng phó với phương diện nào. Freeman và cộng sự, tạp chí Nature Methods

Những màu sắc vạn hoa ở phía trên và phía dưới của hình ảnh trên cho thấy các nơron thần kinh trong phần lưng não giữa, đó là nơi đầu tiên xử lý các tín hiệu từ mắt. Ở giai đoạn này, tất cả các màu đều xuất hiện. Tuy nhiên, thông tin điều khiển di chuyển thông qua não, màu sắc khác nhau được tập trung ở các vùng khác nhau. Ví dụ, các vùng màu tím và màu xanh lá cây sáng lên ở vùng giữa khi trượt lên.

Nếu đường đi hơi cong, có thể là sang trái hoặc sang phải, thì tương ứng với màu vàng hoặc màu hồng.

[email protected]
Wired.com