Giải mã khoảnh khắc bí ẩn các tế bào thần kinh 'hôn – co – chạy'

12 giờ trướcBài gốc

Liệu chúng chỉ “chạm nhẹ rồi tách ra” (kiss-and-run), hay hòa tan hoàn toàn vào màng tế bào thần kinh trước (full collapse)? Giờ đây, một nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã “đóng băng” khoảnh khắc đó theo đúng nghĩa đen – và phát hiện ra một cơ chế thứ ba trong “điệu vũ” tinh tế của giao tiếp thần kinh.

Giải mã cơ chế dẫn truyền thần kinh

Não bộ chúng ta hoạt động dựa trên các tín hiệu synap diễn ra nhanh chóng và chính xác giữa các nơron. Trọng tâm của quá trình này là sự xuất bào của túi synap (SV exocytosis) – tức việc giải phóng các phân tử dẫn truyền thần kinh khi một tín hiệu điện (xung động thần kinh) đi tới.

Mô phỏng cách giao tiếp của tế bào thần kinh

Tuy nhiên, cơ chế cấu trúc và vật lý sinh học của quá trình này vẫn là bí ẩn lớn. Liệu túi synap chỉ tạm thời chạm và rút lui, hay tan biến hoàn toàn vào màng tế bào thần kinh trước? Câu hỏi ấy đã thách thức giới khoa học hơn nửa thế kỷ – cho đến khi nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) tìm ra một cách tiếp cận hoàn toàn mới để lý giải hiện tượng này.

Túi synap là gì?

Túi synap là những bọc nhỏ li ti nằm trong đầu mút của tế bào thần kinh (neuron), tức phần gọi là mào trước synap (presynaptic terminal).

Mỗi túi là một bong bóng màng (membrane-bound vesicle) có đường kính chỉ khoảng 40–50 nanomet, bên trong chứa đầy chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters) – những phân tử dùng để truyền tín hiệu từ nơron này sang nơron khác.

Bạn có thể hình dung: Mỗi túi synap giống như “gói tin” nhỏ trong hệ thống mạng Internet của não bộ. Khi nơron “gửi tín hiệu”, túi này sẽ “phát” gói tin chứa thông điệp hóa học sang nơron kế tiếp.

Cách túi synap hoạt động

Khi một xung điện thần kinh (action potential) truyền đến đầu mút của nơron, nó kích hoạt chuỗi sự kiện cực nhanh:

Ion canxi (Ca²⁺) tràn vào trong tế bào. Canxi này khiến túi synap di chuyển và hợp nhất với màng tế bào thần kinh trước. Khi hợp nhất, túi sẽ phóng thích chất dẫn truyền thần kinh vào khe synap (synaptic cleft) – khoảng trống siêu nhỏ giữa hai nơron.

Ở phía bên kia, các thụ thể (receptors) của nơron kế tiếp sẽ nhận và phản ứng với các phân tử này, tạo ra xung thần kinh mới. Toàn bộ quá trình diễn ra trong vài phần nghìn giây, nhưng chính nó là nền tảng của mọi suy nghĩ, cảm xúc và hành vi của con người.

Khám phá được công bố trên Science: Cơ chế “hôn – co – chạy”

Trong công trình đăng trên tạp chí Science với tiêu đề “Kiss-shrink-run unifies mechanisms for synaptic vesicle exocytosis and hyperfast recycling” (tạm dịch: “Cơ chế ‘hôn – co – chạy’ thống nhất quá trình xuất bào và tái chế siêu nhanh của túi synap”), nhóm USTC đã đưa ra một mô hình vật lý sinh học mới dung hòa hai giả thuyết cũ.

Hóa ra, quá trình giải phóng chất dẫn truyền thần kinh không hoàn toàn thoáng qua, cũng không hoàn toàn vĩnh viễn, mà là một quá trình lai, có giai đoạn trung gian quan trọng: “co lại” (shrink).

Việc hiểu được cơ chế này không chỉ mang ý nghĩa học thuật, mà còn là nền tảng cho khoa học thần kinh. Độ chính xác và hiệu quả của truyền dẫn synap quyết định mọi hoạt động của não – từ học tập, ghi nhớ đến các bệnh thoái hóa thần kinh. Nắm bắt rõ ràng hơn quy trình này có thể mở ra hướng điều trị mới và giúp con người hiểu sâu hơn về cách bộ não vận hành.

“Đóng băng thời gian” để nhìn thấy điều chưa từng thấy

Nhóm nghiên cứu tại USTC đã phát triển một nền tảng kính hiển vi điện tử lạnh chụp cắt lớp (cryo-electron tomography – cryo-ET) với độ phân giải theo thời gian cực cao.

Bằng cách kết hợp kích thích quang di truyền (optogenetic stimulation) – dùng ánh sáng để kích hoạt nơron – với kỹ thuật làm lạnh siêu nhanh (high-speed plunge-freezing), họ đã ghi lại hơn 1.000 ảnh cắt lớp 3D của các khớp synap hưng phấn nguyên vẹn, ở các mốc thời gian từ 0 đến 300 mili-giây sau khi xung thần kinh xuất hiện.

Nhờ kỹ thuật này, nhóm có thể tái dựng toàn bộ tiến trình của quá trình xuất bào và tái chế túi synap theo từng phần nghìn giây.

Chỉ trong vòng 4 mili-giây, các túi synap hình thành lỗ hợp nhất (fusion pore) rộng khoảng 4 nanomet – đây chính là bước “hôn” (kiss). Ngay sau đó, chúng co lại, giảm một nửa diện tích bề mặt – giai đoạn "co" (shrink).

Khoảng 70 mili-giây sau, phần lớn các túi này được tái chế nhanh chóng qua con đường “chạy” (run), trong khi số còn lại trải qua sự hòa nhập hoàn toàn với màng tế bào thần kinh trước – tức “full-collapse”.

Một cơ chế mới mở ra chân trời mới

Cơ chế “hôn – co – chạy” (kiss-shrink-run) không chỉ lý giải nền tảng cấu trúc của quá trình truyền tín hiệu thần kinh nhanh và chính xác, mà còn mở ra hướng mới trong nghiên cứu về tính dẻo của synap, chức năng não bộ và các rối loạn thần kinh.

Hơn nữa, bản thân kỹ thuật cryo-ET mà nhóm USTC phát triển còn đặt ra chuẩn mực mới cho việc quan sát động học màng tế bào và tương tác phân tử trong điều kiện tự nhiên, với độ phân giải không gian – thời gian chưa từng có.

Một thành viên nhóm nghiên cứu nhận xét: “Chúng tôi thực sự đã chứng kiến điều mà các thế hệ nhà khoa học thần kinh trước đây chỉ có thể tưởng tượng. Não bộ không chỉ ‘hôn và chạy’, mà còn ‘co lại’ – một động tác tinh tế, giúp nó tái chế và truyền tín hiệu với tốc độ hoàn hảo”.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/giai-ma-khoanh-khac-bi-an-cac-te-bao-than-kinh-hon-co-chay-239133.html