Hình ảnh mô phỏng hơn 1.000 tế bào não, được trích từ dữ liệu tái dựng khối mô não chuột có kích thước 1 mm³ (nguồn: Viện Allen, Mỹ).
Bản đồ 3D có độ phân giải cực cao này bao gồm hơn 200.000 tế bào não, trong đó khoảng 82.000 là tế bào thần kinh. Ngoài ra, bản đồ còn ghi nhận hơn 500 triệu khớp thần kinh (synapse) và hơn 4 km dây thần kinh - tất cả đều nằm trong một khối mô nhỏ thuộc vùng vỏ não thị giác của chuột. Trước đó, bản đồ có quy mô tương đương duy nhất là bản đồ của 1 mm3 não người, chỉ ghi nhận được 16.000 tế bào thần kinh và 150 triệu khớp thần kinh.
Không chỉ dừng lại ở cấu trúc, bản đồ mới này còn ghi nhận hoạt động của hàng chục nghìn tế bào thần kinh khi chúng truyền tín hiệu và tương tác để xử lý thông tin thị giác. Việc kết hợp giữa bản đồ hoạt động thần kinh và bản đồ kết nối thần kinh đánh dấu một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực Connectomics - ngành nghiên cứu cách bộ não tổ chức và xử lý thông tin.
Công trình này là kết quả của hơn 150 nhà nghiên cứu thuộc dự án Machine Intelligence from Cortical Networks (MICrONS), được công bố trong 8 bài báo trên Tạp chí Nature và Nature Methods. Tất cả dữ liệu và tài nguyên nghiên cứu đã được công khai trực tuyến, tạo điều kiện cho các nhóm nghiên cứu khác tiếp tục khai thác.
TS Mariela Petkova - nhà thần kinh học tại Đại học Harvard (Mỹ) nhận xét, đây là điều mà cộng đồng khoa học thần kinh chưa từng làm được trong suốt lịch sử - đó là lập bản đồ hoạt động của các tế bào thần kinh theo mạng lưới kết nối của chúng ở quy mô lớn như vậy.
TS Forrest Collman từ Viện Allen về Khoa học não bộ (Seattle, Mỹ), đồng tác giả công trình mô tả dữ liệu thu được là “vô cùng tuyệt đẹp, nhìn vào đó, bạn sẽ cảm nhận được sự phức tạp đến choáng ngợp của bộ não - giống như cảm giác ngước nhìn bầu trời đầy sao”.
Chuột và “Ma trận”
Để tạo ra bản đồ đột phá này, các nhà khoa học đã ghi lại hoạt động của gần 76.000 tế bào thần kinh trong vỏ não thị giác của chuột khi con vật xem các đoạn video - bao gồm cả những cảnh trong bộ phim The Matrix - trong vòng 2 giờ. Sau đó, họ cắt lát khối não 1 mm³ thành hàng nghìn lát mỏng, mỗi lát chỉ bằng 1/400 đường kính sợi tóc người. Các lát mô này được chụp ảnh và tái dựng thành bản đồ 3D. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu sử dụng AI và các thuật toán học máy để đánh dấu tế bào thần kinh, các nhánh phân nhánh và khớp nối của chúng, đồng thời đối chiếu chúng với dữ liệu hoạt động đã ghi lại.
TS Moritz Helmstaedter - nhà thần kinh học tại Viện Max Planck (Đức), đánh giá, việc kết hợp giữa chức năng và cấu trúc ở quy mô như vậy là điều chưa từng có tiền lệ. Đây là một nỗ lực và thành tựu rất đáng nể.
Bản đồ thần kinh của chuột hé lộ quy luật tạo mạng và lưu giữ ký ức
Dữ liệu thu được còn làm sáng tỏ những nguyên tắc cơ bản trong việc hình thành mạng lưới thần kinh của não chuột. Nghiên cứu cho thấy, các tế bào thần kinh phản ứng với cùng một đặc điểm thị giác - như một hình dạng hoặc hướng chuyển động cụ thể - có xu hướng kết nối với nhau nhiều hơn, ngay cả khi chúng cách xa nhau, so với những tế bào thần kinh phản ứng với đặc điểm khác.
Điều này làm sâu sắc thêm lý thuyết kinh điển trong thần kinh học rằng tế bào thần kinh nào cùng hoạt động thì sẽ hình thành kết nối với nhau (neurons that fire together wire together). Trước đây, lý thuyết này mới chỉ được kiểm chứng trên số lượng tế bào và khớp thần kinh hạn chế nhưng nghiên cứu này đã cho thấy, quy luật này có mức độ áp dụng đa dạng ở các vùng khác nhau trong vỏ não.
Các nhà khoa học cho rằng, bản đồ kết nối thần kinh có thể là công cụ quan trọng để nghiên cứu cách não bộ lưu giữ và gợi nhớ các ký ức thị giác - chẳng hạn như “hồi ức về bữa tiệc sinh nhật gần nhất hoặc về ông bà của chúng ta”. Đây vẫn là những câu hỏi lớn còn bỏ ngỏ về cơ chế hoạt động của vỏ não ở động vật có vú mà giới khoa học đang nỗ lực khám phá.
Nhóm nghiên cứu MICrONS kỳ vọng bộ dữ liệu mới sẽ góp phần làm sáng tỏ thêm nhiều đặc điểm và cơ chế hoạt động của não bộ. Bản đồ vừa được công bố hiện chỉ bao phủ khoảng 0,2% não chuột, nhưng nhóm đang tiếp tục thử nghiệm các công nghệ tiên tiến nhằm tiến tới mục tiêu đầy tham vọng: lập bản đồ toàn bộ não chuột.
LB (theo Nature)