Các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau thông qua các xung điện, được tạo ra bởi các kênh kiểm soát dòng chảy của các ion như kali và natri. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học thần kinh của MIT đã chỉ ra rằng so với tế bào thần kinh của các loài động vật có vú khác, tế bào thần kinh của con người có số lượng kênh này nhỏ hơn nhiều so với dự kiến, theo MIT News.
Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc giảm mật độ kênh này có thể đã giúp não người hoạt động hiệu quả hơn, cho phép nó chuyển nguồn lực sang các quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng cần thiết khác để thực hiện các nhiệm vụ nhận thức phức tạp.
Mark Harnett, phó giáo sư về não và khoa học nhận thức, thành viên của Viện nghiên cứu não McGovern của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), và tác giả cao cấp của nghiên cứu, cho biết: “Nếu bộ não có thể tiết kiệm năng lượng bằng cách giảm mật độ các kênh ion, nó có thể dành năng lượng đó cho các quá trình thần kinh hoặc mạch truyền tín hiệu khác”.
Harnett và các đồng nghiệp của ông đã phân tích các tế bào thần kinh từ 10 loài động vật có vú khác nhau, và xác định một “bản đồ kiến trúc” tế bào não tương ứng với mỗi loài - ngoại trừ con người. Họ phát hiện ra rằng khi kích thước của các tế bào thần kinh tăng lên, mật độ của các kênh ion được tìm thấy trong các tế bào thần kinh cũng tăng lên.
Tuy nhiên, tế bào thần kinh của con người được chứng minh là một ngoại lệ đối với quy luật này.
Lou Beaulieu-Laroche, tác giả chính của nghiên cứu và cựu nghiên cứu sinh của MIT cho biết: “Các nghiên cứu so sánh trước đây cho thấy não người được xây dựng giống như các bộ não của động vật có vú khác, vì vậy chúng tôi rất ngạc nhiên khi tìm thấy bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các tế bào thần kinh của con người là một đặc biệt”.
Bản đồ kiến trúc giúp tiết kiệm năng lượng
Các tế bào thần kinh trong não động vật có vú có thể nhận tín hiệu điện từ hàng nghìn tế bào khác và đầu vào đó xác định liệu chúng có phát ra một xung điện gọi là điện thế hoạt động hay không. Vào năm 2018, Harnett và Beaulieu-Laroche đã phát hiện ra rằng tế bào thần kinh của người và chuột khác nhau về một số thuộc tính điện của chúng, chủ yếu ở các phần đuôi gai, nơi nhận và xử lý dữ liệu đầu vào từ các tế bào khác, của tế bào thần kinh.
Một trong những phát hiện từ nghiên cứu đó là tế bào thần kinh của con người có mật độ kênh ion thấp hơn tế bào thần kinh trong não chuột. Các nhà nghiên cứu đã rất ngạc nhiên trước quan sát này, vì mật độ kênh ion thường được giả định là không đổi giữa các loài. Trong nghiên cứu mới của họ, Harnett và Beaulieu-Laroche quyết định so sánh các tế bào thần kinh từ một số loài động vật có vú khác nhau để xem liệu họ có thể tìm thấy bất kỳ mẫu hình nào chi phối sự biểu hiện của các kênh ion hay không. Họ đã nghiên cứu hai loại là kênh kali định mức điện thế và kênh HCN, dẫn cả kali và natri, trong các tế bào thần kinh hình chóp lớp 5, một loại tế bào thần kinh kích thích được tìm thấy trong vỏ não.
Họ lấy ra mô não từ 10 loài động vật có vú: chuột chù Etruscan (một trong những loài động vật có vú nhỏ nhất được biết đến), chuột nhảy, chuột nhắt, chuột lang, chồn, thỏ, khỉ đuôi sóc và khỉ đuôi dài, cũng như của bệnh nhân động kinh trong quá trình phẫu thuật não. Sự đa dạng này cho phép các nhà nghiên cứu khao sát bao quát về một loạt các độ dày vỏ não và kích thước tế bào thần kinh trong vương quốc động vật có vú.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ở hầu hết các loài động vật có vú, mật độ của các kênh ion tăng lên khi kích thước của các tế bào thần kinh tăng lên. Tuy nhiên, một ngoại lệ đối với mô hình này là ở tế bào thần kinh của con người, có mật độ kênh ion thấp hơn nhiều so với dự kiến.
Harnett nói rằng sự gia tăng mật độ kênh của các loài là một điều đáng ngạc nhiên, bởi vì càng có nhiều kênh, thì càng cần nhiều năng lượng để bơm các ion vào và ra khỏi tế bào. Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu xét về số lượng kênh trong tổng thể khối lượng của vỏ não, họ nhận thấy rằng mật độ của các kênh trong một thể tích mô nhất định là như nhau ở tất cả các loài vật trong nghiên cứu ngoại trừ con người.
Harnett nói: “Bản đồ kiến trúc này phù hợp với chín loài động vật có vú khác nhau. Có vẻ như vỏ não đang cố gắng giữ cho số lượng kênh ion trên một đơn vị thể tích giống nhau ở tất cả các loài. Điều này có nghĩa là đối với một thể tích nhất định của vỏ não, chi phí năng lượng là như nhau, ít nhất là đối với các kênh ion”.
Tuy nhiên, bộ não của con người có sự sai lệch đáng kể so với bản đồ kiến trúc này. Thay vì tăng mật độ kênh ion, các nhà nghiên cứu nhận thấy mật độ kênh ion dự kiến giảm đáng kể đối với một thể tích mô não nhất định.
Các nhà nghiên cứu tin rằng mật độ thấp hơn này có thể là một cách để não tiêu tốn ít năng lượng hơn cho việc bơm các ion, điều này cho phép cơ quan này sử dụng năng lượng đó cho việc khác, như tạo ra các kết nối khớp thần kinh phức tạp hơn giữa các tế bào thần kinh hoặc kích hoạt điện thế hoạt động với tốc độ cao hơn.
Harnett hy vọng sẽ nghiên cứu nguồn năng lượng tiết kiệm được đó có thể sẽ đi đến đâu và liệu có những đột biến gen cụ thể nào giúp các tế bào thần kinh của vỏ não người đạt được hiệu suất cao này hay không. Các nhà nghiên cứu cũng quan tâm đến việc khám phá xem liệu các loài linh trưởng có quan hệ họ hàng gần hơn với con người có biểu hiện sự giảm mật độ kênh ion tương tự hay không.
Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature.
Văn Thiện
