Nghiên cứu não chuột tăng cường sự hiểu biết về tâm trí con người

Các nhà nghiên cứu Google vừa công bố một bản đồ chi tiết đáng kinh ngạc về não bộ con người, tập trung vào một mảnh nhỏ nhưng quan trọng: chỉ 1 milimet khối mô não, xấp xỉ kích thước bằng nửa hạt gạo. Bản đồ này, yêu cầu tới 1.4 petabyte dữ liệu để mã hóa, thể hiện các nơ-ron riêng lẻ và các kết nối phức tạp của chúng với độ rõ nét đáng kể.

Mặc dù chỉ là một phần rất nhỏ của não bộ, bản đồ này đã dẫn đến một số phát hiện đáng kinh ngạc. "Chẳng hạn, chúng tôi nhận thấy một số dây thần kinh xoắn thành những nút thắt lớn," nhà khoa học nghiên cứu Google Viren Jain nói. "Chúng tôi không biết tại sao điều này xảy ra — đó là điều chưa ai từng thấy trước đây."

Giờ đây, Viren và đội của anh đang chuyển trọng tâm sang não bộ của chuột, và vì một lý do thuyết phục. Những động vật có vú nhỏ này có thể là chìa khóa để mở ra một số bí ẩn sâu sắc nhất của tâm trí con người. Những câu hỏi như: Làm thế nào chúng ta lưu trữ và truy xuất ký ức? Làm thế nào chúng ta nhận diện vật thể và khuôn mặt? Tại sao chúng ta cần ngủ nhiều như vậy? Và điều gì trục trặc trong các tình trạng như Alzheimer và các bệnh não khác?

"Lý do chính khiến chúng ta thiếu câu trả lời cho những câu hỏi này là vì chúng ta vẫn còn thiếu dữ liệu quan trọng để nghiên cứu não bộ," Viren giải thích.

Bộ não con người, với 86 tỷ nơ-ron và hơn 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, là cỗ máy phức tạp đứng sau suy nghĩ, cảm xúc, chuyển động và tương tác của chúng ta với thế giới. Bằng cách lập bản đồ các kết nối thần kinh, hay "connectome," chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách não bộ hoạt động và tại sao đôi khi nó không hoạt động.

Việc tạo ra các bản đồ chi tiết ở cấp độ khớp thần kinh không phải là điều dễ dàng; nó đòi hỏi hình ảnh não bộ ở độ phân giải nanomet và xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ. Đây là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi sự đổi mới liên tục trong hình ảnh, thuật toán AI và các công cụ quản lý dữ liệu. Đó là lý do tại sao, một thập kỷ trước, Google Research đã thành lập đội Connectomics của mình.

Trong mười năm qua, đội đã đạt được những bước tiến đáng kể trong việc phát triển công nghệ để xử lý, phân tích và chia sẻ dữ liệu hiệu quả hơn, đẩy nhanh đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về não bộ. Ví dụ, họ đã giới thiệu mạng lấp đầy lũ, tự động theo dõi các nơ-ron qua các hình ảnh não bằng máy học, loại bỏ nhu cầu tô màu thủ công. Họ cũng phát triển thuật toán SegCLR để tự động nhận diện các phần khác nhau của tế bào và loại tế bào trong các mạng này. Ngoài ra, họ đã tạo ra phần mềm như TensorStore và Neuroglancer để hỗ trợ lưu trữ, xử lý và trực quan hóa các hình ảnh và khối lượng đa chiều lớn.

Tuy nhiên, việc lập bản đồ toàn bộ connectome của não người vẫn là một mục tiêu xa vời. Nó sẽ đòi hỏi phân tích tới một zettabyte dữ liệu — một tỷ terabyte — hiện nằm ngoài khả năng công nghệ của chúng ta. "Việc lập bản đồ toàn bộ não người ngay bây giờ sẽ tốn hàng tỷ đô la và hàng trăm năm," Viren thừa nhận.

Do đó, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc lập bản đồ các phần lớn hơn của não bộ động vật nhỏ hoặc các phần nhỏ hơn của não bộ động vật lớn. Vào năm 2020, đội Connectomics đã thành công lập bản đồ một nửa não của ruồi giấm, phát hiện các kết nối giữa 25.000 nơ-ron. Các hợp tác với các nhà nghiên cứu khác cũng dẫn đến việc tạo ra các connectome cho các phần của não chim sẻ vằn và ấu trùng cá ngựa. Và vào tháng Năm, bản đồ chi tiết của 1 milimet khối mô não người đã được công bố trên Science.

Các tập dữ liệu từ những dự án này đã được hàng ngàn nhà nghiên cứu trên toàn thế giới sử dụng, dẫn đến hàng trăm phát hiện được công bố.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một hình ảnh 3D của gần như mọi nơ-ron và kết nối của chúng trong một mảnh nhỏ mô não người. Hình ảnh trên cùng cho thấy các nơ-ron kích thích, sáng lên màu vàng, trong khi hình ảnh dưới cùng hiển thị các nơ-ron ức chế, được làm nổi bật màu xanh.

Đội Connectomics hiện đang hợp tác với các đối tác tại Harvard, Princeton và các tổ chức khác để lập bản đồ vùng hippocampus của chuột — khu vực não chịu trách nhiệm hình thành ký ức, chú ý và định hướng không gian, chiếm 2-3% toàn bộ não chuột.

Khi không có khả năng lập bản đồ toàn bộ não người, việc phân tích connectome của chuột là một bước tiếp theo khả thi. Nó đủ nhỏ để thực hiện và có thể mang lại những hiểu biết áp dụng được cho não người. "Khi bạn quan sát não chuột dưới kính hiển vi điện tử, nó trông rất giống não người. Về cơ bản, nó là một phiên bản thu nhỏ," Jeff W. Lichtman, giáo sư sinh học phân tử và tế bào tại Harvard, nói. Đây là lý do tại sao chuột thường được sử dụng để nghiên cứu các rối loạn não người.

Chuột đại diện cho biên giới mới nhất trong connectomics, nhưng các nhà khoa học thần kinh đã lập bản đồ các bộ não ngày càng phức tạp trong nhiều thập kỷ. Connectome đầu tiên là của não giun, được công bố vào năm 1986 sau 16 năm làm việc.

Mặc dù não chuột nhỏ hơn 1.000 lần so với não người, việc lập bản đồ nó vẫn là một thách thức kỹ thuật đáng gờm. Tập dữ liệu từ một connectome não chuột duy nhất ở độ phân giải nanomet có thể là tập dữ liệu sinh học lớn nhất từ trước đến nay, ước tính từ 20.000-30.000 terabyte.

"Không chỉ việc thu thập dữ liệu là một thách thức, mà việc lưu trữ và xử lý chính xác nó là một trở ngại khác," Viren lưu ý. "Đóng góp độc đáo của chúng tôi là phát triển các công cụ đẩy giới hạn của độ chính xác và áp dụng chúng vào các tập dữ liệu ngày càng lớn hơn."

Nếu thành công, dự án não chuột của đội Connectomics sẽ là lần đầu tiên các nhà khoa học lập bản đồ một phần hippocampus của động vật có vú và là phần não lớn nhất từng được thử lập bản đồ.

"Nghiên cứu cơ bản có giá trị đáng kinh ngạc," Viren kết luận. "Điều khiến tôi hào hứng là triển vọng một ngày nào đó hiểu chính xác cách ký ức được hình thành và nguyên nhân gây ra các rối loạn tâm thần hoặc bệnh tật. Nhưng để đạt được điều này, chúng ta cần tiếp tục thúc đẩy công nghệ theo những cách không thể tưởng tượng nổi chỉ vài thập kỷ trước."