Bí mật suốt 50 năm đã được hé lộ: Camera nano Trung Quốc ghi lại khoảnh khắc các tế bào thần kinh 'hôn nhau'.

Công nghệ hình ảnh tiên tiến đã giải quyết cuộc tranh luận kéo dài 50 năm trong ngành khoa học thần kinh.

Sau hơn nửa thế kỷ tranh cãi, các nhà khoa học cuối cùng đã chứng kiến khoảnh khắc kỳ diệu khi các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau, một quá trình diễn ra trong chưa đầy một phần nghìn giây. Nhờ công nghệ hình ảnh mới từ Trung Quốc, thế giới nay biết chính xác cách thức não bộ "nói chuyện" giữa hàng tỷ tế bào thần kinh.

Phát hiện đột phá này, vừa được công bố trên tạp chí Science, đã chấm dứt cuộc tranh luận kéo dài hơn 50 năm trong giới khoa học thần kinh về cơ chế giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, yếu tố quyết định giúp não bộ xử lý thông tin.

15 năm nghiên cứu để chứng kiến điều mà chưa ai từng thấy.

Bộ não con người hoạt động nhờ sự giao tiếp chính xác giữa hàng tỷ tế bào thần kinh. Mỗi tế bào truyền tín hiệu qua các túi synap, chứa các chất dẫn truyền thần kinh. Khi tín hiệu thần kinh đến, túi này giải phóng chất hóa học sang tế bào bên cạnh, giúp tín hiệu được tiếp nối.

Tuy nhiên, điều mà giới khoa học tranh cãi suốt hàng thập kỷ là: liệu các túi synap có hòa nhập hoàn toàn vào màng tế bào, hay chỉ chạm nhẹ rồi rút lui nhanh chóng, theo mô hình 'hôn và chạy' (kiss-and-run), hay là cơ chế 'sụp đổ hoàn toàn' (full-collapse fusion).

Vấn đề nằm ở chỗ: quá trình này diễn ra ở quy mô nanomet (một phần tỷ mét) và trong chỉ vài phần nghìn giây, khiến việc ghi lại bằng kính hiển vi truyền thống gần như không thể.

Để vượt qua giới hạn đó, nhóm nghiên cứu do Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) phối hợp cùng Viện Công nghệ Tiên tiến Thâm Quyến thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã dành 15 năm phát triển một công nghệ hình ảnh hoàn toàn mới.

Kết quả là một hệ thống chụp cắt lớp điện tử đông lạnh phân giải thời gian (cryo-ET) ra đời, một 'máy ảnh nano' có thể ghi lại các hoạt động của tế bào thần kinh với độ phân giải nanomet và tốc độ mili giây.

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã ghi lại 'nụ hôn' của các tế bào thần kinh.

Sử dụng công nghệ này, nhóm nghiên cứu đã kết hợp kích thích quang di truyền (kích hoạt tế bào thần kinh bằng ánh sáng) và đóng băng tốc độ cao, ghi lại hơn 1.000 bức ảnh cắt lớp của khớp thần kinh ở vùng hải mã trên chuột, nơi liên quan đến học tập và trí nhớ.

Các bức ảnh cho thấy một chuỗi sự kiện vô cùng tinh tế: trong 4 mili giây đầu tiên sau khi tế bào được kích hoạt, túi synap bắt đầu hình thành một lỗ hợp nhất nhỏ rộng chỉ khoảng 4 nanomet, giống như một 'nụ hôn' ngắn ngủi. Sau đó, cấu trúc này thu nhỏ lại một nửa, rồi trong vòng 70 mili giây, phần lớn túi tách ra và được tái chế, trong khi một số khác hòa nhập hoàn toàn vào màng tế bào.

Quá trình này được mô tả qua mô hình 'hôn - co - chạy' (kiss - shrink - run), dung hòa hai giả thuyết đối lập trước đó. Nó cho thấy việc truyền tín hiệu thần kinh không chỉ là sự chạm qua loa, cũng không phải luôn luôn là sự hợp nhất hoàn toàn, mà là một cơ chế linh hoạt và tối ưu cả về tốc độ lẫn hiệu quả.

Một bước tiến lịch sử trong khoa học thần kinh.

Theo Stella Hurtley, phó tổng biên tập của tạp chí Science, phát hiện này 'đã thống nhất các mô hình cạnh tranh về giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, đồng thời làm sáng tỏ nền tảng của hiệu quả và độ tin cậy trong truyền thông tin giữa các khớp thần kinh'.

Theo thông cáo từ USTC, công nghệ này không chỉ giải mã một bí ẩn sinh học tồn tại suốt 50 năm, mà còn 'mở ra một góc nhìn hoàn toàn mới trong việc hiểu cách thức não bộ xử lý thông tin, hình thành ký ức và liên quan đến các bệnh lý thần kinh'.

Đặc biệt, nền tảng hình ảnh nano này có thể được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu nhiều quá trình sinh học nhanh khác, chẳng hạn như xâm nhập của virus, sự tiết hormone, hoặc các phản ứng nội bào tức thời, những điều trước đây hầu như không thể quan sát được trực tiếp.

Khoa học thần kinh bước vào kỷ nguyên mới.

Trong suốt nhiều thập kỷ, khoa học thần kinh vẫn phải dựa vào các mô hình suy luận và thí nghiệm gián tiếp để mô tả cách các tế bào thần kinh 'nói chuyện' với nhau. Nhưng giờ đây, nhờ công nghệ hình ảnh cực nhanh và chính xác đến từng nanomet, con người đã có thể 'nhìn thấy' tận mắt những khoảnh khắc bí ẩn nhất trong hoạt động của bộ não.

Những hình ảnh đầu tiên về 'nụ hôn thần kinh' không chỉ đánh dấu sự kết thúc của một chương dài trong lịch sử nghiên cứu não bộ, mà còn mở ra một kỷ nguyên mới, nơi các hoạt động vi mô của tế bào có thể được theo dõi, phân tích và hiểu rõ như chưa bao giờ.

Từ một khoảnh khắc nhỏ bé kéo dài chưa đến một phần nghìn giây, nhân loại đã tiến thêm một bước dài trong hành trình khám phá cỗ máy tinh vi nhất trong vũ trụ, đó chính là bộ não con người.