Điều khiển não bộ bằng ánh sáng: Giải Nobel Sinh lý học vinh danh cha đẻ ngành quang di truyền

Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học vừa được trao cho ba nhà khoa học Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel nhờ công trình phát triển quang di truyền (optogenetics) — kỹ thuật dùng ánh sáng để bật hoặc tắt hoạt động của các tế bào thần kinh đã được đánh dấu bằng gen.

Phương pháp này mở ra khả năng can thiệp chính xác vào não bộ đang còn nguyên vẹn, thay vì chỉ quan sát hậu quả của việc phá hủy tế bào thần kinh như trước đây. Đáng chú ý, toàn bộ lĩnh vực này khởi nguồn từ một sinh vật hết sức đơn giản: loài tảo đơn bào có khả năng bơi về phía ánh sáng.

Từ tảo đơn bào đến cuộc cách mạng thần kinh học

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã dần dựng nên bức tranh một phần về vai trò của những tế bào chuyên biệt bên trong não và tủy sống. Bằng cách nghiên cứu quá trình phát triển của não, họ có thể xác định những gen hoạt động trong các nhóm tế bào thần kinh khác nhau, cũng như vị trí của chúng.

Trong một số trường hợp, những gen này có thể bị loại bỏ để vô hiệu hóa tế bào thần kinh, từ đó cho biết phần nào về chức năng của chúng — dựa trên hiểu biết thu được từ các nghiên cứu về những vùng não bị tổn thương.

Tuy nhiên, cách tiếp cận này vẫn có những giới hạn rõ rệt:

• Não bộ đủ linh hoạt để thích nghi với việc mất đi một số tế bào.
• Việc mất tế bào ngay từ giai đoạn phát triển sớm có thể làm thay đổi sự phát triển của những tế bào thần kinh mà chúng lẽ ra sẽ kết nối.
• Vì vậy, kết quả thu được dễ bị sai lệch và khó phản ánh đúng hoạt động thực tế của mạng lưới thần kinh.

Sẽ mang lại nhiều thông tin giá trị hơn hẳn nếu ta có thể bật và tắt các tế bào thần kinh trong một bộ não vẫn còn nguyên vẹn.

Đó chính xác là điều mà ba nhà khoa học được vinh danh năm nay đã hiện thực hóa. Xuất phát từ nghiên cứu về loài tảo đơn bào bị hấp dẫn bởi ánh sáng, họ cùng nhiều nhà nghiên cứu khác đã xây dựng nên cả một lĩnh vực mà ngày nay chúng ta gọi là quang di truyền.

Quang di truyền hoạt động như thế nào?

Về cơ bản, quang di truyền sử dụng ánh sáng để thay đổi hành vi của tế bào thần kinh được đánh dấu thông qua hoạt động của từng gen riêng lẻ.

Cụ thể, các nhà khoa học đưa vào tế bào thần kinh những protein cảm quang — vốn có nguồn gốc từ vi khuẩn và tảo — để biến chúng thành công tắc điều khiển được bằng ánh sáng. Khi chiếu một bước sóng ánh sáng nhất định, tế bào thần kinh sẽ được kích hoạt hoặc bị ức chế.

Cách làm này cho phép giới nghiên cứu:

• Kiểm soát hoạt động thần kinh với độ chính xác cao về thời gian và không gian.
• Quan sát trực tiếp mối liên hệ giữa hoạt động của một nhóm tế bào và hành vi cụ thể.
• Nghiên cứu cơ chế bệnh lý trong các rối loạn thần kinh mà không cần phá hủy mô.

Ý nghĩa đối với tương lai công nghệ và y học

Quang di truyền đã trở thành một trong những công cụ nền tảng của khoa học thần kinh hiện đại, được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu trí nhớ, cảm xúc, giấc ngủ và nhiều rối loạn tâm thần.

Với độc giả quan tâm đến công nghệ, đây cũng là minh chứng cho thấy giao thoa giữa sinh học và kỹ thuật đang ngày càng tạo ra những bước đột phá. Những tiến bộ trong điều khiển tế bào bằng tín hiệu vật lý — ánh sáng, điện, từ trường — đang mở đường cho các giao diện não - máy tính và thiết bị y sinh thế hệ mới.

Giải Nobel năm nay không chỉ tôn vinh một kỹ thuật cụ thể, mà còn khẳng định giá trị của nghiên cứu cơ bản: từ một loài tảo nhỏ bé tìm ánh sáng, nhân loại đã có trong tay chìa khóa để hiểu và can thiệp vào bộ não của chính mình.