Khi não bộ hình thành ký ức hoặc học ( kinh nghiệm) một thông tin mới, nó sẽ mã hóa thông tin mới bằng cách điều chỉnh kết nối giữa các tế bào thần kinh. Các nhà khoa học thần kinh của MIT( Massachusetts Institute of Technology) đã phát hiện ra một cơ chế mới góp phần tăng cường các kết nối này, còn được gọi là khớp thần kinh ( Synapses) .
Tại mỗi khớp thần kinh, một tế bào thần kinh trước khe Synaps gửi các tín hiệu hóa học đến một hoặc nhiều tế bào nhận sau khe Synaps. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây về cách các kết nối này hoạt động ra sao, các nhà khoa học chỉ tập trung vào vai trò của các tế bào thần kinh sau synap. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của MIT đã phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh trước synap cũng ảnh hưởng đến độ bền của kết nối.
Troy Littleton, giáo sư tại khoa Sinh học, Khoa học về não và nhận thức tại MIT, một thành viên của MIT, cho biết: “Cơ chế mà chúng tôi đã khám phá ở phía trước khớp thần kinh này bổ sung vào một bộ công cụ mà chúng tôi có để hiểu cách các khớp thần kinh có thể thay đổi. Viện Nghiên cứu và Trí nhớ Picower, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, xuất hiện trên tạp chí Neuron ngày 18 tháng 11.
Tìm hiểu thêm về cách các khớp thần kinh thay đổi kết nối của chúng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các rối loạn phát triển thần kinh như chứng tự kỷ, vì nhiều biến đổi di truyền liên quan đến chứng tự kỷ được tìm thấy trong các gen mã hóa các protein tiếp hợp.
Richard Cho, một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Picower, là tác giả chính của bài báo.
Cấu trúc lại bộ não
Một trong những câu hỏi lớn nhất trong lĩnh vực khoa học thần kinh là làm thế nào não bộ có thể cấu trúc lại để đáp ứng với các điều kiện hành vi thay đổi – một khả năng được gọi là tính dẻo ( neuroplasticity) . Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển ở giai đoạn đầu cuộc sống nhưng tiếp tục trong suốt cuộc đời khi não bộ học hỏi và hình thành những ký ức mới.
Trong hơn 30 năm qua, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng khi kích thích mạnh một tế bào sau synap khiến nó vận chuyển nhiều thụ thể hơn đối với chất dẫn truyền thần kinh đến bề mặt của nó, giúp cho sự khuyêch đại tín hiệu trước synaps. Hiện tượng này, được gọi là điện thế dài hạn (LTP), xảy ra sau sự kích thích liên tục, tần số cao của khớp thần kinh. Ức chế hóa dài hạn (LTD), sự suy yếu của phản ứng sau synap do kích thích tần số rất thấp, có thể xảy ra khi các thụ thể này bị loại bỏ.
Littleton cho biết, các nhà khoa học đã tập trung ít hơn vào vai trò của tế bào thần kinh trước synap đối với tính dẻo ( khả biến thần kinh), một phần vì nó khó nghiên cứu hơn.
Phòng thí nghiệm của ông đã dành nhiều năm để tìm ra cơ chế làm thế nào các tế bào tiền synap giải phóng chất dẫn truyền thần kinh để đáp ứng với các đợt tăng đột biến của hoạt động điện được gọi là điện thế hoạt động. Khi tế bào thần kinh trước synap đăng ký một dòng ion canxi, mang theo dòng điện của điện thế hoạt động, các túi lưu trữ chất dẫn truyền thần kinh sẽ hợp nhất với màng tế bào và đẩy các neurotransmiter của chúng ra bên ngoài tế bào, nơi chúng liên kết với các thụ thể trên tế bào thần kinh sau synap.
Tế bào thần kinh trước synap cũng giải phóng chất dẫn truyền thần kinh khi không có điện thế hoạt động, trong một quá trình được gọi là giải phóng tự phát. Những “minis” này trước đây được cho là đại diện cho tiếng ồn xảy ra trong não. Tuy nhiên, Littleton và Cho phát hiện ra rằng các minis có thể được điều chỉnh để thúc đẩy độ dẻo ( tính khả biến – plasticity) của cấu trúc synap.
Để tìm hiểu cách các khớp thần kinh được tăng cường ra sao, Littleton và Cho đã nghiên cứu một loại khớp thần kinh được gọi là các điểm nối thần kinh cơ, ở ruồi giấm. Các nhà nghiên cứu đã kích thích các tế bào thần kinh tiền synap với một loạt điện thế hoạt động nhanh chóng trong một khoảng thời gian ngắn. Đúng như dự đoán, các tế bào này giải phóng chất dẫn truyền thần kinh đồng bộ với các điện thế hoạt động. Tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên của họ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các sự kiện nhỏ đã được tăng cường rất tốt sau khi kích thích điện kết thúc.
Littleton nói: “Mọi khớp thần kinh trong não đều giải phóng những sự kiện nhỏ này, nhưng mọi người phần lớn đã bỏ qua chúng vì chúng chỉ tạo ra một lượng rất nhỏ hoạt động trong tế bào sau khớp thần kinh. “Khi chúng tôi cung cấp một xung hoạt động mạnh mẽ cho những tế bào thần kinh này, những sự kiện nhỏ này, thường có tần số rất thấp, đột nhiên tăng lên và chúng tăng lên trong vài phút trước khi đi xuống.”
Tăng trưởng khớp thần kinh
Sự tăng cường các minis dường như kích thích tế bào thần kinh sau synap giải phóng một yếu tố tín hiệu, vẫn chưa được xác định, quay trở lại tế bào trước synap và kích hoạt một enzym gọi là PKA. Enzyme này tương tác với một protein trong túi gọi là complexin, thường hoạt động như một cái phanh, kẹp các túi lại để ngăn chặn chất dẫn truyền thần kinh giải phóng cho đến khi cần thiết. Sự kích thích bởi PKA điều chỉnh complexin để nó giải phóng sự bám vào các túi dẫn truyền thần kinh, tạo ra các sự kiện nhỏ.
Khi các gói nhỏ chất dẫn truyền thần kinh này được giải phóng với tốc độ cao, chúng sẽ giúp kích thích sự phát triển của các kết nối mới, được gọi là boutons, giữa các tế bào thần kinh trước synap và sau synap. Điều này làm cho tế bào thần kinh sau synap thậm chí còn phản ứng nhanh hơn với bất kỳ giao tiếp nào trong tương lai từ tế bào thần kinh trước synap.
“Thông thường, bạn có khoảng 70 bouton này trên mỗi tế bào, nhưng nếu bạn kích thích tế bào tiền synap, bạn có thể phát triển các bouton mới một cách rất nhạy bén. Nó sẽ tăng gấp đôi số lượng khớp thần kinh được hình thành, ”Littleton nói.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát quá trình này trong suốt quá trình phát triển của ấu trùng ruồi, kéo dài từ ba đến năm ngày. Tuy nhiên, Littleton và Cho đã chứng minh rằng những thay đổi cấp tính trong chức năng của khớp thần kinh cũng có thể dẫn đến sự dẻo dai của cấu trúc khớp thần kinh trong quá trình phát triển.
“Cơ cấu trong cấu trúc đầu cuối tiền synap ( boutons) có thể được sửa đổi theo cách rất cấp tính để tạo ra một số dạng mềm dẻo( Plasticity) nhất định, điều này có thể thực sự quan trọng không chỉ trong quá trình phát triển mà còn ở các trạng thái trưởng thành hơn, nơi các thay đổi tiếp hợp có thể xảy ra trong các quá trình hành vi như học tập và ghi nhớ, ”Cho nói.
Maria Bykhovskaia, giáo sư thần kinh học tại Trường Y Đại học bang Wayne, người không tham gia nghiên cứu, cho biết nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu đầu tiên tiết lộ cách các tế bào thần kinh tiền synap góp phần tạo nên tính dẻo.
Bykhovskaia nói: “Người ta đã biết rằng sự phát triển của các kết nối thần kinh được xác định bởi hoạt động, nhưng cụ thể điều gì đang diễn ra thì không rõ ràng lắm. “Họ đã sử dụng Drosophila một cách tuyệt vời để xác định con đường phân tử.”
Phòng thí nghiệm của Littleton hiện đang cố gắng tìm hiểu thêm các chi tiết cơ học về cách thức complexin điều khiển sự phóng thích của túi.
