Quá trình hình thành kí ức như thế nào?

Hơn 100 năm trước, nhà sinh vật học người Đức Richard Semon đã đưa ra thuật ngữ 'engram', chỉ sự xuất hiện của trí nhớ sẽ tạo ra những thay đổi cụ thể về mặt vật lý hoặc hóa học trong não.

Làm thế nào để kí ức hình thành?

Các nhà khoa học hiện đã biết rằng khi có một trải nghiệm mới, kí ức dài hạn sẽ được tạo ra trong tâm trí chúng ta, các tế bào thần kinh cụ thể sẽ mã hóa các chi tiết để khi được kích hoạt, chúng ta sẽ nhớ lại.

Các tế bào thần kinh quan trọng này được gọi là tế bào engram. Nhờ vào sự tiến bộ của công nghệ trong vài năm qua, các nhà khoa học hiện có thể phóng to chi tiết bên trong các tế bào engram ở độ phân giải cao hơn và theo dõi chặt chẽ quá trình hình thành trí nhớ.

Theo một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience, nhóm nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Li-Huei Tsai từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã lần đầu tiên tiết lộ rằng di truyền biểu sinh xảy ra trong vật liệu di truyền của các tế bào engram ở các giai đoạn khác nhau của quá trình hình thành trí nhớ. Và các thay đổi quy mô lớn trong cấu trúc 3D của bộ gen quy định sự biểu hiện của các gen cụ thể liên quan đến việc lưu trữ bộ nhớ.

Để theo dõi các tế bào engram, các nhà khoa học đã tập trung vào nghiên cứu với các chuột biến đổi gen đặc biệt. Bộ gen của chúng được đánh dấu bằng các protein phát quang, chỉ khi chúng biểu hiện gen Arc, liên quan đến quá trình hình thành trí nhớ, các tế bào này mới phát sáng.

Nhóm nghiên cứu đã áp dụng các cú sốc nhẹ vào chân của chuột để tạo ra kí ức sợ hãi ở những vị trí cụ thể trong não và trong vùng hippocampus, nơi quan trọng đối với học tập và trí nhớ dài hạn. Các tế bào engram mã hóa trí nhớ phát sáng màu vàng huỳnh quang. Sau đó, họ đã phân tích chi tiết các tế bào phát sáng hàng giờ và ngày sau khi bộ nhớ được hình thành và khi bộ nhớ được kích hoạt lại.

Trong giai đoạn mã hóa của ký ức, họ nhận thấy những thay đổi tinh vi trong cấu trúc của chất nhiễm sắc trong nhân. Chất nhiễm sắc được hình thành bằng cách quấn chặt các sợi DNA và protein dài, khi các biến đổi biểu sinh xảy ra ở một số vùng cụ thể, chúng thay đổi để trở nên lỏng lẻo hơn, DNA tiếp xúc cho phép các gen trên đó dễ dàng 'đọc'.

Tuy nhiên, họ đã ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng các vùng lỏng lẻo không phải là các đoạn gen mã hóa, thay vào đó chúng chứa các trình tự không mã hóa được gọi là 'bộ tăng cường'. Các trình tự này phục vụ các gen cụ thể và giúp kích hoạt chúng.

Trong 5 ngày tiếp theo, trong giai đoạn củng cố ký ức, đã xảy ra nhiều thay đổi hơn trong cấu trúc 3D của chất nhiễm sắc xung quanh, và nhiều chất tăng cường đã di chuyển đến gần các gen mà chúng phục vụ.

Tuy nhiên, đến thời điểm này, sự biểu hiện gen trong tế bào không thay đổi đáng kể như các nhà nghiên cứu mong đợi, điều này làm cho họ thất vọng theo lời của tác giả đầu tiên, Tiến sĩ Asaf Marco.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đưa chuột trở lại môi trường ban đầu khi ký ức hình thành. Khi ký ức tái hiện, gen hoạt động mạnh mẽ. Nhiều gen được kích hoạt bởi chất tăng cường tham gia vào việc tổng hợp protein, tạo ra các kết nối mạnh mẽ hơn giữa các tế bào thần kinh.

Tiến sĩ Marco nói: 'Sau đó, chúng tôi nhận ra rằng các thay đổi cấu trúc trước đó trong chất nhiễm sắc đang chuẩn bị cho các tế bào để tăng cường trí nhớ trong giai đoạn nhớ lại'. Một chuyên gia khác mô tả quá trình như: 'Nó như việc chuẩn bị trước khi tập luyện, các tế bào engram đã sẵn sàng hoạt động, cho phép chúng ta nhớ lại'.

Tiến sĩ Marco kết luận: 'Nghiên cứu này làm sáng tỏ rằng kích thích biểu hiện gen trong giai đoạn nhớ lại bởi các chất tăng cường bắt đầu bằng các sửa đổi biểu sinh'.

Cơ chế hình thành trí nhớ dài hạn là gì?

Các nhà khoa học tại Trường Y Harvard đã nghiên cứu câu hỏi này hơn nửa thế kỷ trước, với phát hiện của họ được xuất bản trên tạp chí Nature.

Quay ngược thời gian về năm 1986, Giáo sư Michael E. Greenberg, tác giả chính của nghiên cứu, gia nhập Đại học Harvard.

Trong một nghiên cứu, ông và đồng nghiệp của ông phát hiện rằng khi một tế bào thần kinh được kích hoạt, nó sẽ bắt đầu biểu hiện một gen được gọi là Fos trong thời gian ngắn. Mặc dù gen Fos mã hóa một yếu tố phiên mã, nhưng những gì nó làm vẫn chưa được hiểu rõ. Tuy nhiên, nó có thể liên quan đến một số chức năng của nơ-ron ảnh hưởng đến khả năng học và ghi nhớ của chúng ta.

Tuy nhiên, các biểu hiện của gen Fos cho thấy rằng nó có thể liên quan đến một số chức năng của nơ-ron có ảnh hưởng đến khả năng học và ghi nhớ của chúng ta.

Để kiểm chứng ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã đưa chuột vào một môi trường mới và đánh giá hoạt động của các tế bào thần kinh chính trong vùng hải mã của chúng. Điều kỳ lạ là các tế bào thần kinh biểu hiện gen Fos không tụ lại với nhau sau khi tiếp xúc với môi trường mới, thay vào đó chúng nằm rải rác khắp nơi.

Điều này có thể ảnh hưởng đến quá trình hình thành trí nhớ? Nghiên cứu sau đó đã xác nhận điều này. Khi ức chế sản xuất Fos ở các tế bào thần kinh, chuột bị suy giảm trí nhớ đáng kể và mắc kẹt trong mê cung và khó thoát ra ngoài. Điều này cũng chứng minh rằng các tế bào thần kinh biểu hiện Fos tham gia vào quá trình hình thành trí nhớ.

Sử dụng phương pháp di truyền quang học, các nhà nghiên cứu đã kích hoạt các tế bào thần kinh xung quanh các tế bào thần kinh này và phát hiện ra rằng chúng bị ảnh hưởng bởi hai loại tín hiệu: tín hiệu ức chế trước đây được tăng cường và tín hiệu khác yếu đi.

Nếu nơ-ron không biểu hiện Fos, thì nó sẽ không có các đặc tính tương tự. Ngoài ra, mối quan hệ giữa việc kích hoạt các tín hiệu thần kinh này và các nơ-ron khác trong vòng lặp cũng rất quan trọng. Fos có thể liên quan đến độ dẻo của các vòng dây cụ thể. Vì Fos là yếu tố phiên mã, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc nghiên cứu các gen khác mà Fos kiểm soát.

Bằng việc sử dụng phương pháp như giải trình tự tế bào đơn, các nhà nghiên cứu đã xác định một gen quan trọng được gọi là Scg2, mà ảnh hưởng đến tín hiệu ức chế. Khi gen Scg2 ở chuột không hoạt động, các tế bào thần kinh kích hoạt Fos sẽ gặp phải các khiếm khuyết trong việc tiếp nhận tín hiệu.

Tương tự, các con chuột cũng gặp vấn đề với sóng não liên quan đến học tập và trí nhớ. Cụ thể, Scg2 mã hóa một neuropeptide được chia thành bốn dạng khác nhau. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các tế bào thần kinh sử dụng các chuỗi thần kinh này để điều chỉnh tín hiệu từ các tế bào thần kinh.

Tóm lại, các nhà khoa học đề xuất một mô hình: khi tiếp xúc với một thứ gì đó mới, một nhóm nhỏ tế bào thần kinh trong vùng hải mã sẽ đồng thời biểu hiện Fos, kích hoạt gen Scg2 và tạo ra neuropeptide tương ứng. Sau khi nhận được sự chỉ dẫn từ các interneurons, các neuron này tạo thành một vòng lặp phối hợp.

'Khi các tế bào thần kinh trong hồi hải mã được kích hoạt, chúng không cần phải được kết nối theo cách đặc biệt trước đó. Các tế bào thần kinh giữa các tế bào thần kinh có các nhánh trục rất rộng có thể kết nối với nhiều tế bào cùng lúc và truyền tín hiệu. Đó có thể là các tế bào thần kinh bị cô lập này được kết nối trong', nhóm nghiên cứu nói.

Nghiên cứu này cung cấp cơ chế hình thành trí nhớ dài hạn dưới góc độ phân tử. Cho dù là để nghiên cứu sinh học cơ bản hoặc các bệnh liên quan đến trí nhớ, nó đều có ý nghĩa quan trọng.