việc tăng sự kết nối giữa các tế bào não

Tại mỗi synap, một neuron trước synap sẽ gửi tín hiệu hóa học cho một hoặc nhiều tế bào tiếp nhận sau synap. Trong hầu hết các nghiên cứu trước đây về cách thức phát triển các kết nối, các nhà khoa học đã tập trung vào vai trò của các neuron sau synap. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu MIT đã phát hiện ra rằng neuron trước synap cũng ảnh hưởng đến độ mạnh của kết nối.

“Cơ chế mà chúng tôi đã phát hiện ra ở phía trước synap đã thêm vào bộ công cụ để chúng ta có thể hiểu làm thế nào các khớp thần kinh (synap) có thể thay đổi” Troy Littleton nói, ông là giáo sư tại khoa Sinh học và Não bộ và Khoa học nhận thức tại MIT, một thành viên của viện Picower nghiên cứu việc học tập và ghi nhớ của MIT, và là tác giả chính của nghiên cứu được đăng trên tạp chí Neuron, xuất bản ngày 18/11.

Nghiên cứu sâu hơn về cách các synap 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 bệnh tự kỷ (autism), vì có nhiều những biến đổi di truyền liên quan đến bệnh tự kỷ được tìm thấy trong các gen mã hóa cho các protein synap.

Richard Cho, một nhà nghiên cứu tại Picower, là tác giả chính của bài báo này.

Thiết lập lại mạng điện của não bộ

Một trong những câu hỏi lớn nhất trong lĩnh vực khoa học thần kinh là làm thế nào mà não bộ tự thiết lập lại mạng điện để đáp ứng với điều kiện thay đổi hành vi – một khả năng gọi là tính mềm dẻo (Plasticity). Điều này đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển sớm nhưng vẫn tiếp tục xảy ra trong suốt cuộc đời vì não bộ liên tục học tập và hình thành các ký ức mới.

Trong 30 năm qua, các nhà khoa học đã tìm ra rằng nguồn dữ liệu mạnh (strong input) gửi tới một tế bào sau synap giúp  nó liên kết với nhiều thụ thể hơn để chất dẫn truyền thần kinh tới được bề mặt của nó, và khuếch đại tín hiệu nhận được từ các neuron trước synap. Hiện tượng này, được gọi là sự kích thích dài hạn (long-term potentiation, LTP), xảy ra sau khi kích thích với cường độ cao và kéo dài của các synap. Ngược lại, sự ức chế dài hạn (Long-term depression, LTD), việc làm yếu các phản ứng sau synap gây ra bởi sự kích thích với tần số rất thấp, có thể xảy ra khi loại bỏ các thụ thể này.

Các nhà khoa học đã từng ít quan tâm đến vai trò của neuron trước synap trong tính mềm dẻo, một phần bởi vì chúng khó nghiên cứu hơn, Littleton nói.

Phòng thí nghiệm của ông đã bỏ ra vài năm nghiên cứu về cơ chế các tế bào trước synap giải phóng chất dẫn truyền thần kinh đáp ứng lại với điện thế hoạt động. Khi các tế bào thần kinh trước synap ghi nhận dòng xâm nhập của các ion canxi, gia tăng điện thế hoạt động, các túi có chứa các chất dẫn truyền thần kinh chảy đến màng tế bào và giải phóng các chất bên trong ra bên ngoài tế bào, nơi mà chúng gắn với các thụ thể trên neuron sau synap.

Các neuron trước synap cũng giải phóng chất dẫn truyền thần kinh khi không có điện thế hoạt động, trong một quá trình gọi là giải phóng tự phát. Những ‘minis’ này từng được cho là nhiễu, xảy ra trong não. Tuy nhiên, Littleton và Cho tìm ra rằng các ‘minis’ có thể được điều hòa để điều khiển tính mềm dẻo trong cấu trúc của synap.

Để tìm hiểu làm thế nào các synap được kích hoạt, Littleton và Cho đã nghiên cứu một loại synap được gọi là các khớp thần kinh cơ, ở ruồi giấm. Các nhà nghiên cứu kích thích các neuron trước synap bằng một loạt điện thế hoạt động nhanh trong một khoảng thời gian ngắn. Như mong đợi, các tế bào này phát ra chất dẫn truyền thần kinh một cách đồng bộ với điện thế hoạt động. Tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên của mình, các nhà nghiên cứu tìm thấy rằng các điện thế nhỏ được tăng cường một cách đáng kể sau khi kích thích  điện kết thúc.

“Mỗi synap trong não bộ giải phóng những điện thế nhỏ, nhưng người ta đã hầu như bỏ qua chúng bởi vì chúng chỉ tạo ra một lượng rất nhỏ của các hoạt động trong tế bào sau synap” Littleton nói.

“Các điện thế nhỏ này, thông thường có tần số rất thấp, nhưng khi chúng tôi cho một xung động mạnh đến các tế bào thần kinh này thì chúng đột nhiên tăng cao và ở trạng thái kích động trong vài phút trước khi giảm xuống.”

Sự tăng trưởng synap

Sự tăng cường các minis dường như kích thích các tế bào thần kinh sau synap giải phóng một yếu tố tín hiệu, yếu tố này vẫn chưa được xác định. Sau đó, yếu tố này sẽ quay trở lại tế bào trước synap và kích hoạt enzyme PKA. Enzyme này tương tác với một túi protein được gọi là complexin, thường hoạt động như là một cái phanh hoặc cái kẹp để ngăn chặn việc giải phóng chất dẫn truyền thần kinh khi cần thiết. Sự kích thích bởi PKA sẽ biến đổi phức hệ để chúng giải phóng khỏi sự kèm cặp của complexin trong các túi chứa chất dẫn truyền thần kinh và tạo ra các điện thế nhỏ.

Khi các túi nhỏ chứa chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng với tỷ lệ cao, chúng sẽ kích thích sự tăng trưởng của các kết nối mới, được gọi là bouton, giữa các neuron trước và sau synap. Điều này thậm chí làm cho các neuron sau synap đáp ứng tốt với hơn bất kỳ thông tin liên lạc nhận được từ neuron trước synap.

“Thông thường bạn có 70 bouton trên 1 tế bào, nhưng nếu bạn kích thích các tế bào trước synap bạn có thể tăng số lượng bouton với tỷ lệ rất cao. Nó sẽ gấp đôi số lượng của các synap được hình thành “, Littleton nói

Các nhà nghiên cứu quan sát được quá trình này thông qua sự phát triển ấu trùng ruồi, thường kéo dài 3-5 ngày. Tuy nhiên, Littleton và Cho chứng minh rằng các thay đổi cấp tính trong chức năng của synap cũng có thể dẫn tới tính mềm dẻo trong cấu trúc synap trong suốt quá trình phát triển.

“Bộ máy trước synap có thể bị biến đổi cấp tính điều khiển dạng nhất định của tính mềm dẻo (plasticity), đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và trưởng thành, nơi mà các biến đổi synap có thể diễn ra trong suốt quá trình hành vi như học tập và ghi nhớ,” Cho nói.

Phòng thí nghiệm của Littleton đang cố gắng tìm hiểu sâu hơn chi tiết cơ chế complexin kiểm soát việc giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh.

Tài liệu tham khảo

1. Richard W. Cho, Lauren K. Buhl, Dina Volfson, Adrienne Tran, Feng Li, Yulia Akbergenova, J. Troy Littleton (2015) “Phosphorylation of Complexin by PKA Regulates Activity-Dependent Spontaneous Neurotransmitter Release and Structural Synaptic Plasticity”,  Neuron, 88 (4): 749.

2. http://www.sciencedaily.com/releases/2015/11/151118155301.htm

Dịch và tổng hợp từ sciencedaily ngày 18/11/2015