Các nhà khoa học thần kinh đã xác định được các gen mà các tế bào thần kinh ghi nhớ sử dụng để điều chỉnh các kết nối sau những trải nghiệm mới. Phát hiện này làm sáng tỏ đặc điểm sinh học của trí nhớ dài hạn, có ý nghĩa đối với các phương pháp can thiệp trong tương lai khi tình trạng suy giảm trí nhớ xảy ra do tuổi tác hoặc bệnh tật.
Vào một ngày cuối hè năm 1953, một người đàn ông trẻ tuổi được gọi là bệnh nhân HM đã trải qua một cuộc phẫu thuật thử nghiệm. Trong một nỗ lực để điều trị chứng co giật do suy nhược của anh ta, một bác sĩ phẫu thuật đã loại bỏ các phần não của anh ta, bao gồm một phần của cấu trúc gọi là hồi hải mã. Các cơn động kinh ngừng lại.
Thật không may, đối với bệnh nhân HM, thời gian cũng vậy. Khi tỉnh dậy sau cuộc phẫu thuật, anh ta không còn có thể hình thành ký ức dài hạn mới, mặc dù vẫn giữ được khả năng nhận thức bình thường, ngôn ngữ và trí nhớ làm việc ngắn hạn. Tình trạng của bệnh nhân HM cuối cùng cho thấy khả năng tạo ra ký ức dài hạn của não là một quá trình khác biệt phụ thuộc vào vùng hồi hải mã.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra nơi tạo ra ký ức. Nhưng chúng được tạo ra như thế nào vẫn chưa được biết.
Giờ đây, các nhà khoa học thần kinh tại Trường Y Harvard đã thực hiện một bước quyết định trong nỗ lực tìm hiểu đặc tính sinh học của trí nhớ dài hạn và tìm cách can thiệp khi tình trạng suy giảm trí nhớ xảy ra theo tuổi tác hoặc bệnh tật.
Báo cáo trên tạp chí Nature vào ngày 9 tháng 12, họ mô tả một cơ chế mới được xác định mà các tế bào thần kinh ở hồi hải mã chuột trưởng thành sử dụng để điều chỉnh các tín hiệu chúng nhận được từ các tế bào thần kinh khác, trong một quá trình có vẻ quan trọng đối với việc củng cố và nhớ lại trí nhớ.
Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Lynn Yap, nghiên cứu sinh HMS về sinh học thần kinh, và Michael Greenberg, chủ nhiệm sinh học thần kinh tại Viện Blavatnik tại HMS.
Greenberg, Giáo sư Nathan Marsh Pusey của HMS Nathan Marsh Pusey, cho biết: "Trí nhớ là thiết yếu đối với tất cả các khía cạnh của sự tồn tại của con người. Sinh học thần kinh tại HMS và nghiên cứu tác giả tương ứng.
Các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng những trải nghiệm mới kích hoạt các quần thể tế bào thần kinh thưa thớt trong vùng hải mã biểu hiện hai gen, Fos và Scg2. Những gen này cho phép tế bào thần kinh tinh chỉnh đầu vào từ cái gọi là tế bào thần kinh ức chế, tế bào làm giảm sự kích thích của tế bào thần kinh. Bằng cách này, các nhóm nhỏ tế bào thần kinh khác nhau có thể hình thành mạng lưới liên tục với hoạt động phối hợp để đáp ứng với một trải nghiệm.
Yap cho biết: “Cơ chế này có thể cho phép các tế bào thần kinh nói chuyện với nhau tốt hơn để lần sau khi ký ức cần được nhớ lại, các tế bào thần kinh sẽ hoạt động đồng bộ hơn”. "Chúng tôi nghĩ rằng sự kích hoạt ngẫu nhiên của mạch qua trung gian Fos này có khả năng là một tính năng cần thiết để củng cố trí nhớ, chẳng hạn như trong khi ngủ và cũng như khả năng nhớ lại trí nhớ trong não."
Điều phối mạch
Để hình thành ký ức, bằng cách nào đó, bộ não phải truyền tải một trải nghiệm vào các tế bào thần kinh để khi các tế bào thần kinh này được kích hoạt trở lại, trải nghiệm ban đầu có thể được nhớ lại. Trong nghiên cứu của họ, Greenberg, Yap và nhóm đã bắt đầu khám phá quá trình này bằng cách xem xét gen Fos.
Được Greenberg và các đồng nghiệp mô tả lần đầu tiên trong tế bào thần kinh vào năm 1986, Fos được biểu hiện trong vòng vài phút sau khi một tế bào thần kinh được kích hoạt. Các nhà khoa học đã tận dụng đặc tính này, sử dụng Fos như một dấu hiệu đánh dấu hoạt động của tế bào thần kinh gần đây để xác định các tế bào não điều chỉnh cảm giác khát, tiếng kêu và nhiều hành vi khác.
Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng Fos có thể đóng một vai trò quan trọng trong học tập và trí nhớ, nhưng trong nhiều thập kỷ, chức năng chính xác của gen vẫn là một bí ẩn.
(adv)
Để điều tra, các nhà nghiên cứu đã cho chuột tiếp xúc với môi trường mới và xem xét các tế bào thần kinh hình chóp, các tế bào chính của hồi hải mã. Họ nhận thấy rằng quần thể tế bào thần kinh tương đối thưa thớt biểu hiện Fos sau khi tiếp xúc với trải nghiệm mới. Tiếp theo, họ ngăn không cho các tế bào thần kinh này biểu hiện Fos, bằng cách sử dụng một công cụ dựa trên virus được đưa đến một khu vực cụ thể của hồi hải mã, vùng này khiến các tế bào khác không bị ảnh hưởng.
Những con chuột bị chặn Fos theo cách này cho thấy sự suy giảm trí nhớ đáng kể khi được đánh giá trong một mê cung đòi hỏi chúng phải nhớ lại các chi tiết không gian, cho thấy rằng gen này đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành trí nhớ.
Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu sự khác biệt giữa các tế bào thần kinh biểu hiện Fos và những tế bào không biểu hiện. Sử dụng di truyền quang học để bật hoặc tắt đầu vào từ các tế bào thần kinh lân cận khác nhau, họ phát hiện ra rằng hoạt động của các tế bào thần kinh biểu hiện Fos bị ảnh hưởng mạnh mẽ nhất bởi hai loại interneurons.
Các tế bào thần kinh biểu hiện Fos được phát hiện nhận tín hiệu làm giảm hoạt động hoặc ức chế tăng lên từ một loại interneuron riêng biệt và giảm tín hiệu ức chế từ một loại khác. Các mẫu tín hiệu này đã biến mất trong các tế bào thần kinh có biểu hiện Fos bị chặn.
Yap cho biết: “Điều quan trọng đối với các tế bào thần kinh trung gian này là chúng có thể điều chỉnh thời điểm và mức độ kích hoạt của các tế bào thần kinh riêng lẻ do Fos kích hoạt, và cả khi chúng kích hoạt so với các tế bào thần kinh khác trong mạch. "Chúng tôi nghĩ rằng cuối cùng thì chúng tôi cũng có thể nắm được cách Fos có thể hỗ trợ các quá trình ghi nhớ, cụ thể là bằng cách điều phối loại mạch dẻo này trong hồi hải mã."
Các nhà nghiên cứu tiếp tục khảo sát chức năng của Fos, mã hóa cho một protein yếu tố phiên mã quy định các gen khác. Họ sử dụng giải trình tự tế bào đơn và màn hình gen bổ sung để xác định các gen được kích hoạt bởi Fos và phát hiện ra rằng một gen đặc biệt là Scg2 đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các tín hiệu ức chế.
Ở những con chuột có thử nghiệm Scg2 im lặng, các tế bào thần kinh được kích hoạt bởi Fos trong hồi hải mã cho thấy một khiếm khuyết trong việc truyền tín hiệu từ cả hai loại tế bào thần kinh này. Những con chuột này cũng có những khiếm khuyết trong nhịp điệu gamma và theta, những đặc tính của não được cho là những đặc điểm quan trọng trong học tập và trí nhớ.
Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng Scg2 mã hóa cho một protein neuropeptide có thể được phân tách thành bốn dạng riêng biệt, sau đó chúng được tiết ra. Trong nghiên cứu hiện tại, Yap và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng các tế bào thần kinh dường như sử dụng các peptit thần kinh này để tinh chỉnh đầu vào mà chúng nhận được từ các tế bào thần kinh giữa.
Cùng với nhau, các thí nghiệm của nhóm cho thấy rằng sau một trải nghiệm mới, một nhóm nhỏ tế bào thần kinh đồng thời biểu hiện Fos, kích hoạt Scg2 và các chuỗi thần kinh có nguồn gốc của nó, để thiết lập một mạng lưới phối hợp với hoạt động của nó được điều chỉnh bởi các tế bào thần kinh.
Greenberg nói: “Khi các tế bào thần kinh được kích hoạt trong hồi hải mã sau một trải nghiệm mới, chúng không nhất thiết phải liên kết với nhau theo bất kỳ cách cụ thể nào. "Nhưng các tế bào giữa các tế bào thần kinh có trục rất rộng, nghĩa là chúng có thể kết nối và phát tín hiệu đến nhiều tế bào cùng một lúc. Đây có thể là cách một nhóm tế bào thần kinh thưa thớt có thể liên kết với nhau để cuối cùng mã hóa một bộ nhớ."
Các phát hiện nghiên cứu đại diện cho một cơ chế cấp phân tử và mạch có thể có đối với trí nhớ dài hạn. Chúng làm sáng tỏ sinh học cơ bản của quá trình hình thành trí nhớ và có ý nghĩa rộng rãi đối với các bệnh về rối loạn chức năng trí nhớ.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mặc dù kết quả là một bước quan trọng trong sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động bên trong của trí nhớ, nhưng vẫn còn rất nhiều câu hỏi chưa được giải đáp về các cơ chế mới được xác định.
Greenberg nói: “Chúng tôi vẫn chưa hoàn toàn có câu trả lời, nhưng chúng tôi có thể thấy nhiều bước tiếp theo cần được thực hiện. "Nếu chúng ta có thể hiểu rõ hơn về quá trình này, chúng ta sẽ có những cách xử lý mới về trí nhớ và cách can thiệp khi mọi thứ diễn ra không như ý muốn, cho dù là mất trí nhớ liên quan đến tuổi tác hay rối loạn thoái hóa thần kinh như bệnh Alzheimer."
Greenberg cho biết thêm, phát hiện này cũng đại diện cho đỉnh cao của nhiều thập kỷ nghiên cứu, ngay cả khi chúng mở ra những hướng nghiên cứu mới có thể sẽ mất nhiều thập kỷ hơn nữa để khám phá.
“Tôi đến Harvard vào năm 1986, đúng như bài báo của tôi mô tả khám phá rằng hoạt động của tế bào thần kinh có thể kích hoạt gen được công bố,” ông nói. "Kể từ thời điểm đó, tôi đã tưởng tượng ra ngày mà chúng ta sẽ tìm ra cách các gen như Fos có thể đóng góp vào trí nhớ dài hạn."
Nguồn: Trường Y Harvard
