Khoa học đằng sau công nghệ đoạt giải Nobel: Điều khiển nơ-ron bằng ánh sáng

Giải Nobel Y học năm 2026 đã gọi tên ba nhà khoa học Karl Deisseroth (Đại học Stanford), Peter Hegemann (Đại học Humboldt, Berlin) và Georg Nagel (Đại học Würzburg). Công trình của họ đặt nền móng cho quang di truyền học (optogenetics) — kỹ thuật cho phép các nhà khoa học bật hoặc tắt từng tế bào thần kinh bằng những chùm ánh sáng.

Điều đáng chú ý là phát hiện khởi nguồn cho công nghệ này không đến từ não người, mà từ một loài tảo đơn bào. Câu chuyện về giải thưởng năm nay vì thế không chỉ là câu chuyện của khoa học thần kinh, mà còn là minh chứng cho sức mạnh của việc hội tụ nhiều lĩnh vực sinh học khác nhau.

Từ "điểm mắt" của một loài tảo

Per Svenningsson, chủ tịch Ủy ban Nobel Y học, nhận định: "Quang di truyền học mở ra cơ hội lập bản đồ não bộ theo cách mà trước đây chúng ta chỉ có thể mơ tới." Không có kỹ thuật nào khác cho phép nghiên cứu não sống một cách chính xác đến vậy, giúp giới khoa học hiểu rõ hơn về hệ thần kinh cũng như nhiều bệnh rối loạn thần kinh.

Vào cuối thế kỷ trước, Peter Hegemann bắt đầu chuỗi nghiên cứu nhằm tìm hiểu cách loài tảo đơn bào Chlamydomonas phát hiện và phản ứng với ánh sáng. Các nghiên cứu trước đó đã ghi nhận Chlamydomonas có một "điểm mắt" — chấm cam nhỏ trên bề mặt chứa phân tử cảm nhận ánh sáng gọi là retinal.

Hegemann dùng các điện cực siêu nhỏ để đo tín hiệu điện do tảo tạo ra và tìm hiểu phản ứng cực nhanh của cấu trúc này. Ông phát hiện sinh vật này có thể tạo xung điện chỉ khoảng 0,5 mili giây sau khi nhận ánh sáng — nhanh gấp 20 lần mắt người, vốn cần ít nhất 10 mili giây để nhận biết ánh sáng.

Ông cho rằng việc phát hiện ánh sáng ở tảo phải là kết quả của một quá trình đơn giản hơn nhiều so với mắt người. Đầu những năm 1990, Hegemann đề xuất rằng điểm mắt chứa một loại protein vừa cảm nhận ánh sáng vừa phản ứng lại — nhiều khả năng mở ra như một kênh dẫn ion. Vào thời điểm đó, giả thuyết này gây tranh cãi, bởi dù nhiều kênh ion đã được ghi nhận, chưa kênh nào có thể tự phản ứng với ánh sáng.

Hành trình kiểm chứng giả thuyết

Để kiểm tra lý thuyết, nhà khoa học tìm cách tách các protein nhạy sáng khỏi điểm mắt. Tuy nhiên, khi rời khỏi môi trường tự nhiên, chúng trở nên bất ổn. Sau đó, một nhóm nhà nghiên cứu Nhật Bản giải mã toàn bộ ADN của Chlamydomonas, giúp nhóm của Hegemann xác định được hai gen tạo ra protein mang đặc tính mong đợi của một kênh cảm nhận ánh sáng tiềm năng.

Georg Nagel là người thực hiện bước tiếp theo: xác minh chức năng của các gen này. Ông đưa bản sao của từng gen vào các nhóm trứng ếch khác nhau. Trứng bắt đầu sản sinh protein tương ứng, rồi định vị tại màng tế bào. Sau đó, Nagel bật đèn.

Cả hai protein đều hoạt động như kênh ion mở ra khi tiếp xúc ánh sáng. Ông đặt tên cho các gen là channelrhodopsin-1 và channelrhodopsin-2. Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy protein do gen thứ hai tạo ra — gọi tắt là ChR2 — mở đặc biệt nhanh, dòng ion chỉ diễn ra trong 0,2 mili giây, lý giải tốc độ phản ứng ánh sáng phi thường ban đầu quan sát được ở Chlamydomonas.

Khi các nhà nghiên cứu đưa gen này vào tế bào động vật có vú — vốn thường không phản ứng với ánh sáng — các tế bào tạo ra tín hiệu điện khi được chiếu sáng. Đây chính là điểm khiến giới khoa học thần kinh đặc biệt phấn khích.

Vì sao kênh ion lại quan trọng đến vậy?

Kênh ion đóng vai trò quan trọng ở nhiều loại tế bào, nhưng chúng "gánh vác" phần việc nặng nề nhất trong hệ thần kinh. Các xung điện mà nơ-ron dùng để giao tiếp với nhau cũng như với các mô khác trong cơ thể đều được điều phối bởi dòng ion ra vào tế bào. Nếu điều khiển được kênh ion, bạn có thể điều khiển nơ-ron.

Đây là lúc Karl Deisseroth xuất hiện. Ông đang tìm kiếm phương pháp cho phép bật tắt hoạt động của những tế bào thần kinh cụ thể trong một bộ não sống. Theo ông, công cụ này có thể mở rộng hiểu biết về chức năng não và mở ra hướng điều trị mới cho các tình trạng như trầm cảm và tâm thần phân liệt.

Sau khi ChR2 được phát hiện, Deisseroth đề nghị Nagel chia sẻ trình tự ADN để đưa vào tế bào thần kinh chuột. Các nơ-ron nuôi trong đĩa cấy sản sinh ChR2 và khi được chiếu ánh sáng xanh, chúng phản ứng tức thì — phát xung điện lan truyền sang các nơ-ron khác.

Kết quả thu được năm 2005 này mang tính quyết định, đưa ChR2 trở thành công cụ chuẩn mực cho khoa học thần kinh.

Từ phòng thí nghiệm đến lâm sàng

Trong những năm sau đó, Deisseroth, Hegemann và Nagel hợp tác tìm ra các protein khác có khả năng kích hoạt hoặc vô hiệu hóa nơ-ron bằng những bước sóng ánh sáng khác nhau. Với bộ công cụ này, các nhà nghiên cứu nay có thể thiết kế thí nghiệm trong đó một nhóm nơ-ron được bật bằng bước sóng này và nhóm khác được điều khiển bằng bước sóng khác.

Thuật ngữ optogenetics ra đời năm 2006 và từ đó được ứng dụng trong nhiều nghiên cứu. Theo Hội đồng Nobel tại Viện Karolinska:

"Nhờ quang di truyền học, các nhà nghiên cứu đã có thể làm sáng tỏ những mạch thần kinh chi phối ký ức, cảm xúc và hành vi cụ thể liên quan đến các rối loạn thần kinh và tâm thần. Trong y học lâm sàng, các nhà nghiên cứu đang dùng phương pháp này để nỗ lực khôi phục thị lực cho người khiếm thị."

Với độc giả Việt Nam, đây là câu chuyện đáng chú ý ở nhiều góc độ. Thứ nhất, nó cho thấy nghiên cứu cơ bản — vốn thường bị xem là xa rời thực tiễn — có thể dẫn tới những bước đột phá ứng dụng tầm cỡ thập kỷ sau đó. Thứ hai, thành tựu này ra đời từ sự giao thoa giữa vi sinh vật học, sinh học phân tử và khoa học thần kinh, nhắc nhở rằng các lĩnh vực khoa học không nên bị chia cắt thành những ốc đảo biệt lập.

Hiện tại, quang di truyền học vẫn chủ yếu được dùng trong nghiên cứu tiền lâm sàng do những thách thức về an toàn và kỹ thuật khi áp dụng trên người. Tuy nhiên, các thử nghiệm lâm sàng nhằm phục hồi thị lực bằng liệu pháp gen kết hợp quang di truyền đang được tiến hành, hứa hẹn mở ra chương mới cho điều trị các bệnh về mắt và thần kinh.