Kiểm soát các mạch não từ ánh sáng hồng ngoại ở khoảng cách gần

Hãy tưởng tượng bộ não như một tổng đài khổng lồ bao phủ hàng trăm nút bấm, nút, mặt số và các tay quay kiểm soát các khía cạnh suy nghĩ, xúc cảm, hành vi và ký ức của chúng ta.

Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học thần kinh đã đảo ngược về mặt phương pháp các nút bật tắt, đơn lẻ hoặc kết hợp, để cố gắng hiểu cách cỗ máy này hoạt động như thế nào một cách toàn diện. Nhưng quả thật nói thì quá dễ hơn là làm. Các mạch tế bào kiểm soát tư duy và hành vi kết nối vào nhau thông qua khối lượng lớn các mô não và không tuân theo các công tắt bật, tắt tiện dụng để dễ dàng áp dụng kỹ thuật ngược.

Hiện tại, các nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu khoa học thần kinh Wu Tsai tại trường đại học Stanford đã phát triển kỹ thuật không xâm lấn đầu tiên để kiểm soát các mạch não được nhắm đích trong hành vi của động vật từ khoảng cách gần. Công cụ này có tiềm năng giải quyết một trong những nhu cầu lớn nhất nhưng chưa được đáp ứng trong khoa học thần kinh: một cách để kiểm tra một cách dễ dàng các chức năng của tế bào não và các mạch sâu trong não bộ trong suốt những hành vi thông thường – như khi chuột liên kết với một con khác một cách tự nhiên.

Nghiên cứu được xuất bản trên Nature Biomedical Engineering với sự tham gia của Guosong Hong và cộng sự ở Stanford, và ĐH Công nghệ  Nanyang ¹. Hong là nhà khoa học có học bổng tại Viện nghiên cứu khoa học thần kinh Wu Tsai và phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật  trường Kỹ thuật Stanford. Ông đã sử dụng những hiểu biết nền tảng về hóa học và khoa học vật liệu để phát triển các công cụ và vật liệu có độ tương thích sinh học để thúc đẩy nghiên cứu về não bộ.

Kỹ thuật trong nghiên cứu mới được xây dựng trên nền tảng dựa trên di truyền quang học, một kỹ thuật được Karl Deisseroth và cộng sự ở Stanford phát triển lần đầu tiên khi đưa các protein algal nhạy sáng vào thần kinh để các nhà nghiên cứu có thể dùng nó trong các phản hồi bật tắt theo những màu sắc khác nhau của ánh sáng.

“Quang học di truyền là một công cụ mang tính chuyển đổi trong khoa học thần kinh nhưng vẫn có những giới hạn trong việc có thể làm được với các kỹ thuật hiện hành – một phần do sự phụ thuộc của chúng trong ánh sáng của phổ khả kiến”, Hong nói. “Não bộ khá đục với ánh sáng khả kiến, vì vậy việc tăng thêm ánh sáng lên các tế bào bạn muốn kích thích để đáp ứng yêu cầu cụ thể trong cấy ghép quang học xâm lấn có thể là nguyên nhân dẫn đến sự tổn thương mô và các nối quang sợi quanh hộp sọ, dẫn đến khó có thể nghiên cứu về các dạng hành xử tự nhiên”.

Với việc suy nghĩ như một nhà khoa học vật liệu về những cách vượt qua các thách thức này, Hong nhận thấy các mô sinh học – bao gồm não và ngay cả hộp sọ – đều trong suốt về bản chất với ánh sáng hồng ngoại, có thể khiến đưa tia hồng ngoại sâu hơn vào não.

Do các công cụ di truyền quang hiện có không phản hồi ánh sáng hồng ngoại, nhóm nghiên cứu của Hong đã đưa vào một mô được tiến hóa để dò hình thức khác của tia hồng ngoại: nhiệt. Bằng cách trang bị nhân tạo các tế bào thần kinh cụ thể trong não chuột với một phân tử nhạy cảm với nhiệt gọi là TRPV1, nhóm của ông đã phát hiện ra rằng có thể kích thích các tế bào đã được biến đổi bằng cách chiếu ánh sáng hồng ngoại qua hộp sọ và da đầu từ cách xa tới một mét.

TRPV1 là một cảm biến nhiệt phân tử cho phép chúng ta cảm nhận được cảm giác đau liên quan với nhiệt – cũng như vị cay của một quả ớt  – khám phá dẫn đến giải Nobel Y sinh 2021. Một thụ thể tương tự đã giúp rắn chuông và những con rắn săn mồi khác có được “tầm nhìn nhiệt” để có thể săn các con mồi máu nóng trong bóng tối và một nghiên cứu gần đây đã thành công trong việc cung cấp cho chuột khả năng nhìn trong quang phổ hồng ngoại bằng cách thêm TRPV1 vào tế bào nón võng mạc của chúng.

Kỹ thuật mới cũng phụ thuộc vào một phân tử “đầu dò” có thể được tiêm vào các vùng não bộ được nhắm đích để hấp thụ và khuếch đại ánh sáng hồng ngoại đâm xuyên qau các mô não. Các hạt kích thước nano đó, được gọi là MINDS (các đầu dò nano hồng ngoại đại phân tử cho kích thích não sâu”), hoạt động như các hắc tố trong lớp da của chúng ta hấp hụt các tia UV có hại từ mặt trời, và được tạo ra từ các polymer có khả năng phân  hủy sinh học sử dụng các tế bào pin mặt trời hữu cơ và LEDs.

“Đâu tiên chúng tôi kích thích các tế bào với duy nhất kênh TRPV1, và nó không có tác dụng gì cả”, Hong nói. “Hóa ra là rắn chuông đã sử dụng một cách nhạy cảm hơn nhiều trong việc dò các tín hiệu tia hồng ngoại hơn so với chúng tôi có thể làm để kiểm soát não chuột. Một cách may mắn, chúng tôi có khoa học vật liệu để hỗ trợ chính mình”.

Nhóm nghiên cứu của Hong đầu tiên thử nghiệm kỹ thuật của mình bằng việc đưa kênh TRPV1 vào các neuron trên một bên vỏ não vận động của chuột – một vùng mà chỉ huy toàn bộ chuyển động của cơ thể – và tiêm các phân tử MINDS vào vùng não tương tự. Đầu tiên, các con chuột khám phá khu vực xung quanh của chúng một cách ngẫu nhiên nhưng khi các nhà nghiên cứu đảo ngược ánh sáng hồng ngoại khắp vùng lân cận, chuột bắt đầu đi theo các vòng tròn, được điều hướng bằng việc kích thích vỏ não vận động của chúng.

“Đó thực sự là khoảnh khắc kỳ diệu, chúng tôi biết là rồi nó sẽ thành công”, Hong nói. “Tất nhiên chỉ đánh giá và thử nghiệm bước đầu lên cái gọi là công nghệ có thể làm được nhưng từ lúc đó tôi tự tin vào việc chúng tôi đã có thứ gì đó trong tay”.

Trong một thực nghiệm khác, các nhà nghiên cứu cho thấy MINDS có thể có khả năng kích thích hồng ngoại các neuron thông qua toàn bộ chiều sâu của bộ não. Họ đã cấy các kênh TRPV1 vào các neuron biểu hiện dopamine của các trung tâm khen thưởng của não bộ, vốn tọa lạc ở gần nền tảng não của chuột, sau đó bằng việc tiêm MINDS vào cùng vùng não. Chúng sau đó được định vị vào tia hồng ngoại hội tụ ở một trong ba cánh mê cung cánh hướng tâm tiêu chuẩn và chứng tỏ là chuột đã trở nên “nghiện” ánh sáng hồng ngoại không khả kiến kích thích các neuron dopamine của chúng – dành gần như toàn bộ thời gian của chúng dưới mê cung của các chùm tia.

Thực nghiệm này cho thấy kỹ thuật mới có thể khiến có thể thực hiện được việc kích thích các neuron ở khắp mọi nơi trong não bộ thông qua da đầu và hộp sọ còn nguyên vẹn –việc khó xác định được tán xạ ánh sáng có thể khiến không thể thực hiện được diều này với ánh sáng trong phổ khả kiến. Đáng chú ý, thậm chí có thể làm được điều này khi chùm tia hồng ngoại được định vị xa cả một mét phía trên đầu chuột.

Hong thấy những ứng dụng trung gian của kỹ thuật này cho những hướng đang phát triển trong khoa học thần kinh để nghiên cứu về các mạch não tham gia vào hành xử mang tính xã hội trong tự nhiên ở chuột để hiểu nhiều hơn về các hệ thống làm nền tảng cho nhận thức xã hội của con người.

“Giống như chúng ta, chuột là những sinh vật xã hội nhưng việc nghiên cứu về hành xử tự nhiên của một động vật sống trong nhóm xã hội là thách thức với việc gắn một sợi quang lên đầu”, Hong nói. “Cách tiếp cận này khiến cho có thể lần đầu tiên điều chỉnh các neuron cụ thể và các mạch cụ thể trong hành xử tự nhiên của các loài sinh vật. Một trong số đó có thể giúp chiếu tia hồng ngoại khắp vùng lân cận với chuột cùng nhà để nghiên cứu về đóng góp của các tế bào và mạch cụ thể đến hành vi của một loài vật trong một nhóm xã hội”.

Hong và cộng sự tiếp tục tinh chỉnh kỹ thuật này để nó trở nên đơn giản và dễ thực hiện. “Trong tương lai, chúng tôi muốn kết hợp cách tiếp cận hai giai đoạn thành một cỗ máy phân tử – có lẽ bằng mã hóa một số màu hấp thụ tia hồng ngoại vào neuron biểu hiện TRP”, ông nói.

Công trình này là một trong nhiều hướng tiếp cận mà Hong đã tham gia để biến điều này thành có thể – và có lẽ một ngày nào đó cho các nhà điều trị lâm sàng – để điều chỉnh không xâm lấn các mạch neuron khắp não bộ. Ví dụ Hong và cộng sự đang phát triển các vòng kích thước nano có thể chuyển đổi các chùm tia siêu âm thành ánh sáng, và có thể được tiêm trực tiếp vào mạch máu, khiến cho có thể tới được các tế bào hướng đích di truyền quang học đến khắp mọi nơi trong não bộ và để thay đổi đích theo mong muốn ở một thực nghiệm đơn lẻ.

“Các cách tiếp cận điều chỉnh neuron thông thường trao cho chúng ta khả năng đảo ngược một số công tắc tại một thời điểm trong bộ não để thấy những gì khác biệt các mạch đã làm”, Hong nói. “Mục tiêu của chúng tôi là khiến các kỹ thuật này tiến một bước xa hơn để trao cho chúng tôi sự kiểm soát chính xác vào toàn bộ tổng đài tại cùng thời điểm”.

Nhân Nguyễn tổng hợp

Nguồn: https://medicalxpress.com/news/2022-03-brain-circuits-distance-infrared.html

https://www.freethink.com/science/infrared-trpv1-neuron-control

—————————————————–

1. https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w