Những phát hiện mới về vai trò của tế bào thần kinh đệm đã vẽ lại bức tranh toàn cảnh về vai trò của các tế bào não bộ. 86 tỷ tế bào thần kinh (neuron) trong não người đảm đương phần lớn công việc về nhận thức. Nhưng đó không phải là tất cả những gì chúng ta cần biết.
Nội dung:
- Các loại tế bào thần kinh đệm
- Tế bào nhỏ (microglia)
- Tế bào ít nhánh (oligodendrocytes)
- Tế bào hình sao (astrocytes)
- Rối loạn chức năng tế bào thần kinh đệm có liên quan đến các bệnh về tâm thần
- Ứng dụng vào trí tuệ nhân tạo
Các loại tế bào thần kinh đệm
Hỗ trợ các tế bào thần kinh là một nhóm gồm ba loại tế bào não khác. Tế bào thần kinh đệm nhỏ (microglia), tế bào thần kinh đệm ít nhánh (oligodendrocytes) và tế bào thần kinh đệm hình sao (astrocytes)—được gọi chung là tế bào thần kinh đệm, glial cell. Glial Cel là viết tắt của “neuroglia”, từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “keo thần kinh”.
Cho đến gần đây, như tên gọi của nó, những tế bào này đã bị bỏ quên. Chúng bị đánh giá thấp vai trò của chúng. Nhưng điều đó đã thay đổi. Các tế bào thần kinh này hiện đang là chủ đề nghiên cứu được quan tâm. Và kết quả của các nghiên cứu đã thổi bay ý nghĩ rằng chúng chỉ đơn thuần là chất keo.
Tế bào thần kinh đệm nhỏ cắt tỉa các liên kết giữa các nơ-ron để giữ cho mạng lưới có trật tự.
Các tế bào ít nhánh (oligodendrocytes) từ lâu đã bị coi là chất cách điện đơn thuần của các sợi dẫn điện được gọi là sợi trục. Qua đó các tế bào thần kinh giao tiếp với nhau. Nó có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh các tín hiệu sợi trục.
Và tế bào hình sao (astrocytes), biến các khớp thần kinh thành các chất tương đương sinh học của các bóng bán dẫn. Nó thực hiện bằng cách điều chỉnh luồng thông tin đi qua chúng. Khớp thần kinh là các mối nối nơi các sợi trục gặp nhau và truyền tín hiệu.
Tế bào thần kinh đệm nhỏ (microglia)
Các tế bào thần kinh đệm hiện nay được biết có liên quan đến một loạt các tình trạng bệnh. Từ bệnh tự kỷ đến bệnh đa xơ cứng đến chứng rối loạn ám ảnh cưỡng chế. Do đó, nghiên cứu về chúng có các ứng dụng y học quan trọng.
Chúng cũng được những người thiết kế mô phỏng não gọi là mạng lưới thần kinh nhân tạo trọng tâm. Dựa trên đó máy học và trí tuệ nhân tạo (AI) phụ thuộc vào. Các tế bào thần kinh (neuron) vẫn là quan trọng nhất của sọ não. Nhưng vai trò quan trọng của các tế bào khác đang nhanh chóng được làm sáng tỏ.
Trong một bài báo quan trọng xuất bản vào năm 2012. Dorothy Schafer của trường Y Harvard và các đồng nghiệp cô ấy chỉ ra rằng. Các tế bào thần kinh đệm nhỏ cắt bỏ các khớp thần kinh trong quá trình phát triển não bộ. Quá trình này tiếp tục cho đến giữa độ tuổi hai mươi của một người.
Trước đó, tế bào thần kinh đệm nhỏ chỉ được xem như một phần của hệ thống miễn dịch. Quan trọng để quét sạch mầm bệnh và mảnh vụn tế bào.
Tiến sĩ Schafer đã phát hiện ra rằng. Bằng cách săn lùng và nuốt chửng các khớp thần kinh hiếm khi được sử dụng. Microglia giữ cho não gọn gàng và có ý nghĩa. Hợp lý hóa các tính toán mà tế bào thần kinh thực hiện. Và đảm bảo cơ quan này hoạt động hiệu quả nhất có thể.
Tế bào thần kinh đệm ít nhánh (oligodendrocytes)
Thời điểm phát hiện ra các tế bào thần kinh đệm ít nhánh là hai năm sau đó, vào năm 2014. Cho đến nay, vai trò của chúng vẫn mờ nhạt bị xem nhẹ. Mặc dù được nhiều người biết đến.
Các tế bào thần kinh đệm ít nhánh tạo ra myelin. Một hỗn hợp protein và lipid mà chúng quấn quanh sợi trục. Trong phần phát triển gọi là vỏ bọc, để cải thiện tính dẫn điện của các sợi đó. Tuy nhiên, vào năm đó, một nhóm do Armin Seidl dẫn đầu tại Đại học Washington, ở Seattle phát hiện rằng. Các tế bào ít nhánh sử dụng myelin để tinh chỉnh vận tốc của tín hiệu điện trong sợi trục.
Ví dụ: các sợi trục mang tín hiệu từ tai trái và tai phải đến một phần cụ thể của vỏ não thính giác. Chúng sẽ khác nhau về độ dài. Vì vậy những tín hiệu đó có thể mất khoảng thời gian khác nhau để đến nơi. Tinh chỉnh tế bào thiểu nhánh (đạt được bằng cách điều chỉnh đường kính của sợi trục và khoảng cách giữa các nút của vỏ myelin) sẽ bù đắp cho điều này.
Nghĩa là bất kỳ sự khác biệt còn lại nào cũng phản ánh khoảng thời gian thực tế giữa các lần âm thanh đến mỗi tai. Và đó là sự khác biệt thực sự. Mà bộ não sử dụng để xác định vị trí âm thanh phát ra từ đâu.
Tế bào thần kinh đệm hình sao (astrocytes)
Tuy nhiên, chính những khả năng mới được phát hiện của tế bào thần kinh đệm hình sao mới thú vị.
Những tế bào này có các tua, mỗi tua kết thúc ở một phần phụ được gọi là “chân cuối”. Mỗi tế bào hình sao cai quản một lãnh thổ riêng. Và những tế bào này kết nối với nhau để tạo thành một bức mosaic trên não.
Bàn chân cuối ảnh hưởng việc hình thành trí nhớ
Những cái “bàn chân cuối” này săn lùng và bao bọc các khớp thần kinh. Điều này cho phép tế bào thần kinh đệm hình sao nghe được cuộc trò chuyện giữa các nơ-ron. Và sau đó, bằng cách tăng cường hoặc làm suy yếu các khớp thần kinh cụ thể. Thực hiện kiểm soát quá trình tính toán được thực hiện trong mạng lưới các nơ-ron. Do đó, hiện nay có bằng chứng thuyết phục rằng. Tế bào hình sao đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành trí nhớ. Đặc biệt là ở vùng hải mã, nơi hợp nhất các ký ức ngắn hạn có liên quan thành ký ức dài hạn.
Sinh thiết gợi ý rằng tế bào thần kinh đệm hình sao điều chỉnh từ 50% đến 90% các khớp thần kinh não người theo cách này. Do đó, sự can thiệp của tế bào hình sao là quy tắc, không phải là ngoại lệ. Nhiều nhà nghiên cứu hiện nay nói “khớp thần kinh ba bên” là khớp thần kinh tiêu chuẩn trong não. Chính thành phần ba phần tử này làm cho nó giống như bóng bán dẫn.
Một phần tử điều chỉnh sự truyền tín hiệu giữa hai phần còn lại. Tế bào hình sao, tương đương với kết nối “cơ sở” của bóng bán dẫn. Nơ-ron, tương đương với “bộ phát” và “bộ thu” của bóng bán dẫn.
Các tế bào hình sao có thể thực hiện các thuật toán
Hơn nữa, tế bào thần kinh đệm hình sao không chỉ can thiệp vào công việc của tế bào thần kinh. Chúng dường như cũng có thể thực hiện các phép toán riêng. Nơi hai vùng lãnh thổ của tế bào hình sao gặp nhau, các tua có thể kết nối với nhau. Cho phép chúng tạo thành các mạng gần như phức tạp như mạng của các tế bào thần kinh. Điều này cho phép chúng giao tiếp. Bằng cách sử dụng các xung ion canxi truyền từ tua của tế bào này sang tế bào khác.
Đầu năm 2021, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Tampere ở Phần Lan, do Michael Barros đứng đầu, đã sử dụng tế bào hình sao được chỉnh sửa gen để chỉ ra rằng các tín hiệu canxi-ion này có thể thực hiện đại số Boolean, ngôn ngữ của máy tính kỹ thuật số. Đặc biệt, nhóm đã có thể chạy các phép toán Boolean được gọi là “and và or” với tỷ lệ chính xác lên tới 90%.
Vào năm 2022, Erik Peterson của Đại học Carnegie Mellon, đã công bố một bằng chứng toán học cho thấy rằng. Về nguyên tắc, một mạng tế bào thần kinh đệm hình sao có thể chạy bất kỳ thuật toán máy tính nào. Điều này gợi ý rằng các tế bào hình sao có thể tạo thành một mạng điện toán thứ cấp. Song song với mạng của các tế bào thần kinh. Có khả năng điều chỉnh mạng chính thông qua các khớp thần kinh ba bên.
Rối loạn chức năng tế bào thần kinh đệm có liên quan đến các bệnh về tâm thần
Khi đó, bức tranh toàn cảnh về bộ não được vẽ lại. Không chỉ neuron mà tất cả các tế bào làm việc cùng nhau để tạo ra suy nghĩ. Vào năm 2022, Alexey Semyanov và Alexei Verkhratsky của Viện Hàn lâm Khoa học Nga đã gọi ý tưởng này là “môi trường tích cực” trong não.
Khi tế bào thần kinh đệm bị rối loạn thì sẽ có rắc rối.
Nhiều bằng chứng hiện nay cho thấy rằng các tế bào này bị rối loạn chức năng đóng một vai trò quan trọng trong nhiều tình trạng thần kinh và tâm thần.
Bệnh tự kỷ và tế bào thần kinh đệm nhỏ (microglia)
Vào năm 2017, Ishizuka Kanako thuộc Viện Công nghệ Nagoya, Nhật Bản, đã tìm thấy mối liên hệ giữa việc tăng nguy cơ mắc bệnh tự kỷ và sự hiện diện của một cặp biến thể di truyền. Cặp biến thể này được biết là gây rối loạn trong các tế bào thần kinh đệm nhỏ. Biểu hiện của một loại protein có tên là cx3cr1.
Vào năm 2020, Xu Zhixiang của Scripps Research, đã chỉ ra một loạt các vấn đề về tổng hợp protein trong các tế bào thần kinh này dẫn đến các triệu chứng giống bệnh tự kỷ ở chuột.
Người ta cho là những người tự kỷ gặp vấn đề với các tế bào này. Chúng không thể cắt tỉa các khớp thần kinh chính xác trong quá trình phát triển não bộ. Dẫn đến não bị kết nối quá mức với độ nhạy cao đối với các kích thích, cả cảm giác và cảm xúc. Hơn nữa, hiệu ứng mà Tiến sĩ Xu tìm thấy ảnh hưởng không tương xứng đến chuột đực. Một sự thiên vị, có lẽ không phải ngẫu nhiên, cũng là một đặc điểm của bệnh tự kỷ ở người.
Các chứng rối loạn tâm thần và tế bào ít nhánh (oligodendrocytes)
Trong thập kỷ qua, một số bằng chứng, bao gồm hình ảnh não, khám nghiệm tử thi và nghiên cứu di truyền, đã chỉ ra các tế bào thần kinh đệm ít nhánh bị rối loạn chức năng là nguyên nhân gây ra chứng rối loạn tâm thần trong các tình trạng như bệnh đa xơ cứng, rối loạn lưỡng cực và tâm thần phân liệt.
Rối loạn chức năng như vậy làm rối loạn myelin trên sợi trục. Làm gián đoạn thời gian truyền tín hiệu của chúng. Giả thuyết cho rằng điều này dẫn đến ảo giác. Hình ảnh và âm thanh tưởng tượng là đặc điểm xác định của chứng rối loạn tâm thần.
Chứng trầm cảm lo lắng và tế bào hình sao
Cũng có bằng chứng các tế bào thần kinh đệm hình sao hoạt động sai đóng một vai trò trong trầm cảm và lo lắng. Cũng như các bệnh thoái hóa thần kinh như Alzheimer.
Đáng chú ý nhất, vào năm 2021, Liam O’Leary tại Đại học McGill ở Montreal đã báo cáo rằng. Não của những nạn nhân tự sát do trầm cảm đã giảm rõ rệt mật độ tế bào hình sao, so với não khỏe mạnh, ở các phần của vỏ não trước trán (cơ quan điều hành của não), nhân đuôi ( giúp kiểm soát hành vi hướng đến mục tiêu) và đồi thị (truyền thông tin cảm giác đến vỏ não).
Tế bào thần kinh đệm được ứng dụng vào trí tuệ nhân tạo
Không chỉ các bác sĩ tâm thần lấy cảm hứng từ những vai trò mới được phát hiện của các tế bào thần kinh đệm. Các nhà khoa học máy tính cũng vậy.
Mạng thần kinh nhân tạo ban đầu dựa trên một mô hình về cách thức hoạt động của các neuron. Các nghiên cứu sau này phát hiện rằng đây vẫn chỉ là một sự mô phỏng đơn giản. Dù nó đã phản ánh được mô hình của vỏ não. Do đó, một số nhà khoa học máy tính đã thử thêm các tế bào thần kinh đệm nhân tạo vào mạng. Để xem hiệu suất của chúng có cải thiện hay không.
Một số nhóm đã phát hiện ra rằng việc loại bỏ các khớp thần kinh hiếm khi được sử dụng. Công việc của tế bào thần kinh nhỏ giúp các mạng thần kinh nhân tạo mã hóa thông tin mới và lưu trữ ký ức. Tìm ra các cách để làm cho mạng lưới thần kinh trở nên thưa thớt hơn hiện là một lĩnh vực quan trọng.
Tế bào hình sao nhân tạo cũng đang được nghiên cứu. Cùng với ý tưởng về mạng nơ-ron thần kinh đệm nhân tạo (angns). Chúng bắt chước các khớp thần kinh ba bên. Bằng cách sử dụng các chất tương tự tế bào hình sao để củng cố và làm suy yếu các khớp thần kinh. Để đáp ứng với tốc độ mà các khớp thần kinh đó bắn ra thay đổi theo thời gian.
Cũng như nhiều thứ trong kỹ thuật của con người, có vẻ như tự nhiên đã ở vạch đích trước.
