Giải Nobel Y sinh học 2014: Định vị đường đi lối về

Vị trí của đồi hải mã trong não (trái) và cấu trúc giống ngựa biển (phải)

 Và bằng cách nào chúng ta có thể lưu trữ các thông tin mà chúng ta có thể tìm kiếm một cách dễ dàng cho lần đi sau? 

Các nhà khoa học phát hiện trong não chuột (tạm gọi là đồi hải mã - hippocampus) có một nhóm tế bào hình thành một hệ thống bản đồ và định vị giúp chúng ta biết về nơi chốn và tìm đường đi nước bước. Công trình nghiên cứu này được trao giải Nobel y sinh học năm 2014.

Ba người được nhận vinh dự này trong năm 2014 là giáo sư John O'Keefe (người Anh) và hai vợ chồng giáo sư May-Britt Moser và Edvard Moser (người Na Uy). May-Britt là người phụ nữ thứ 11 được trao giải Nobel y sinh học trong lịch sử giải này.

Năm nay, giải thưởng Nobel y sinh học được trao cho những công trình có giá trị thực tế và giúp chúng ta hiểu về chính chúng ta hơn, điều mà Ủy ban Nobel ví von là “định vị” (GPS). 

Một bộ môn khoa học được nhiều người trong giới khoa học quan tâm hiện nay là nghiên cứu hệ thần kinh.

Sau những khám phá về cấu trúc di truyền, cơ chế vận hành của gen và sinh học phân tử, khoa học ngày càng tiến sâu vào một lĩnh vực thường được xem là bí ẩn nhất và huyền bí nhất trong cơ thể con người: bộ não và những nguyên lý vận hành của não. Một bộ môn khoa học mới ra đời và gần như độc lập với y sinh học có tên là thần kinh học (neuroscience). 

Từ vấn đề triết học...

Cảm quan về nơi chốn và khả năng định hướng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong cuộc sống chúng ta. Cảm quan về nơi chốn cho chúng ta biết vị trí trong môi trường xung quanh. Trong khi định vị, chúng ta phải có cảm nhận về khoảng cách dựa vào thông tin của các vị trí trước đây. 

Một trong những vấn đề làm nhiều người bận tâm, kể cả giới triết học, liên quan đến định vị. Khoảng 200 năm trước, triết gia người Đức Immanuel Kant lý giải rằng ở con người một số khả năng tinh thần tồn tại như là những thông tin tiền định, và độc lập với kinh nghiệm của con người.

Kant kết luận rằng khái niệm không gian là một nguyên lý của trí não, qua đó mà chúng ta có thể cảm nhận về thế giới. 

Với sự tiến bộ của khoa học tâm lý vào giữa thế kỷ 20, những lý giải trên của Kant đã có thể giải đáp được bằng thí nghiệm.

Khi Edward Tolman xem xét các chú chuột di chuyển qua những lối dẫn phức tạp, ông phát hiện rằng chúng có thể học để định vị, và ông đề nghị một “cognitive map” (bản đồ nhận thức) được hình thành trong não để cho phép chúng có thể tìm được đường đi lối về.

Nhưng câu hỏi vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng: một bản đồ như thế được thể hiện trong não như thế nào? 

Giáo sư John O'Keefe

... đến khám phá quan trọng

Cần nhắc lại vài thông tin cơ bản rằng trong não chúng ta (và chuột) có một cơ phận có tên là đồi hải mã (thuật ngữ tiếng Anh là hippocampus). Sở dĩ gọi là đồi hải mã vì cấu trúc của nó giống con ngựa biển.

Đồi hải mã là một bộ phận có chức năng tiếp thu và sắp xếp thông tin làm nên bộ nhớ ngắn hạn và dài hạn. Ở bệnh nhân Alzheimer, đồi hải mã là một vùng bị tổn thương, dẫn đến triệu chứng mất trí nhớ và mất định hướng. Do đó, để trả lời câu hỏi của giới triết gia, các nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu đồi hải mã. 

Những công trình nghiên cứu được trao giải Nobel y sinh học 2014 trả lời một phần quan trọng của câu hỏi đó. Năm 1971, giáo sư John O'Keefe thuộc ĐH London (UCL), qua một loạt thí nghiệm trên chuột, phát hiện rằng trong đồi hải mã có một loại tế bào được kích hoạt khi chúng đi qua một địa điểm hay một môi trường cá biệt.

Ông đề nghị gọi những tế bào này là “place cells” (tế bào vị trí), và chính những tế bào này xây dựng cái bản đồ về môi trường xung quanh. Đây là một phát hiện quan trọng vì nó là đầu mối cho nhiều nghiên cứu tiếp theo, mở ra một cánh cửa mới cho nghiên cứu về sự định vị của não. 

Lab nghiên cứu của giáo sư O'Keefe trở nên nổi danh vì có nhiều nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ đến “đầu quân” làm nghiên cứu. Trong những nghiên cứu sinh tiến sĩ đầu quân tại đây có May-Britt và Edvard Moser, người Na Uy. 

Năm 2005, hai vợ chồng May-Britt và Edvard Moser phát hiện, cũng qua thí nghiệm trên chuột, các tế bào mà họ gọi là “grid cells” (tế bào bản đồ) được kích hoạt khi mấy con chuột đi qua những địa điểm nào đó. Tập hợp các tế bào bản đồ này hình thành một hệ thống trục tung và trục hoành giúp cho chuột nhớ hướng đi lối về. 

Hai khám phá trên bổ sung cho nhau và cho ra một bức tranh tương đối rõ ràng. Nói một cách đơn giản, các tế bào vị trí (khám phá của John O'Keefe) đánh dấu điểm A và điểm B trong não chúng ta, còn bản đồ để đi từ A đến B là nhờ các tế bào bản đồ (khám phá của vợ chồng Moser). 

Theo ủy ban Nobel, các phát hiện của John O’Keefe, May-Britt Moser và Edvard Moser đã giải mã một vấn đề làm bận tâm các nhà triết học hơn 200 năm qua: bằng cách nào mà não chúng ta có thể tạo ra bản đồ về nơi chốn xung quanh, và cách thức mà chúng ta định vị khi di chuyển từ nơi này đến nơi khác? Đây đúng là một khám phá thú vị. 

Các tế bào này có thể giải thích tại sao chúng ta nhớ những nơi mình đã đi qua. Nó cũng có thể giải thích tại sao các con vật như chó dù bị bỏ rơi cả chục cây số vẫn có thể tìm đường về nhà.

Tuy việc ứng dụng các phát hiện của O'Keefe và hai vợ chồng Moser cần thời gian, nhưng rất có thể chúng sẽ được ứng dụng trong việc điều trị các bệnh phức tạp như Alzheimer và Parkinson. 

Hai vợ chồng giáo sư May-Britt Moser

Công nghệ GPS và não tài xế taxi!

Như vậy chúng ta đã có sẵn một hệ thống định vị trong não. Câu hỏi đặt ra là những tài xế taxi có cấu trúc đồi hải mã hay tế bào bản đồ khác chúng ta? Nhà thần kinh học Eleanor Maguire trong lab của giáo sư O'Keefe nghiên cứu cho thấy phần sau đồi hải mã của tài xế taxi thành phố London rộng hơn so với số đông người thường.

Các nhà khoa học lý giải rằng vì tài xế taxi dành ra nhiều thì giờ lái xe và tìm đường nên “bản đồ” và hệ thống GPS trong não của họ rộng hơn. Tuy nhiên, phía trước đồi hải mã của tài xế taxi có vẻ hẹp hơn so với người thường. Do đó, có sự quân bình giữa trước và sau ở đây.

Nghiên cứu ở Canada cho thấy những người kém khả năng tìm đường khi lái xe (thường là... nữ giới) thường có phần sau của đồi hải mã hơi hẹp hơn.

Một trường hợp tiêu biểu là “bệnh nhân” nữ khi nhận việc mới đã không nhớ đường từ nhà đến sở làm. Các xét nghiệm của cô đều bình thường, ngoại trừ hệ thống định vị trong đồi hải mã không kích hoạt! 

Một trong những phát triển quan trọng về công nghệ thời gian gần đây là hệ thống định vị cho giao thông (GPS). Ngày nay, ở các nước tiên tiến, người lái xe không cần dùng nhiều trí não để tìm đường đi lối về vì đã có thiết bị GPS trong xe. Với GPS, chúng ta có thể đi từ A đến B mà chẳng cần nhớ đến địa điểm cụ thể!

Nhưng có khá nhiều nghiên cứu cho thấy lệ thuộc vào GPS có thể làm suy giảm trí não (và ngày nay chúng ta biết đó là suy giảm sự kích hoạt các tế bào vị trí và tế bào bản đồ trong đồi hải mã). Do đó, với khám phá mới, có lẽ chúng ta nên tập thể dục trí não nhiều hơn bằng cách giảm sự lệ thuộc vào GPS ngoại tại mà nên dùng GPS đã có sẵn trong não. 

Mấy năm gần đây, một số nhà khoa học chất vấn tính thiết thực của giải Nobel y sinh học, vì cho rằng giải thưởng này chỉ ghi nhận những công trình nghiên cứu cơ bản và ngày càng xa rời thực tế của khoa học lâm sàng. Có người thậm chí đề nghị một giải thưởng y sinh học khác thiết thực hơn!

Năm nay, Ủy ban Nobel đã ghi nhận một công trình khoa học lâm sàng thiết thực và đã không phụ lòng ông Nobel khi ông viết trong di chúc rằng giải thưởng nên dành cho “những ai có cống hiến đem lại phúc lợi lớn cho con người”.