Kính hiển vi một gram cho phép các nhà khoa học quan sát 8.500 nơ-ron cùng lúc

Hiểu được cách não bộ biến hàng tỷ nơ-ron phát xung cùng nhau thành một quyết định, một ký ức hay một cử động đột ngột là một trong những bài toán khó nhất của khoa học. Phần lớn khó khăn chỉ đơn giản là nhìn thấy nó xảy ra: hầu hết các công cụ hình ảnh đều cồng kềnh, bị ràng buộc bởi dây cáp, hoặc chỉ có thể quan sát một vùng nhỏ mô não tại một thời điểm. Một nhóm nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết họ đã chế tạo được kính hiển vi không dây nhẹ nhất thuộc loại này, một thiết bị chỉ nặng một gram có thể ghi lại hoạt động của hàng nghìn nơ-ron ở động vật di chuyển tự do.

Thiết bị này là một mesoscope, một loại kính hiển vi được thiết kế để chụp ảnh các vùng mô tương đối lớn thay vì một tế bào đơn lẻ. Theo CCTV, thiết bị của nhóm hoạt động trên trường nhìn rộng sáu milimét và có thể phân giải từng tế bào riêng lẻ. Trong các thử nghiệm trên chuột, nó đã ghi lại hoạt động của hơn 8.500 nơ-ron ở vỏ não cùng một lúc — gấp khoảng 25 lần số lượng mà thiết bị tương đương hiện có có thể ghi đồng thời. Kết quả được công bố trực tuyến ngày 19 tháng 10 trên Nature, một trong những tạp chí khoa học hàng đầu thế giới.

Đột phá này vừa là thành tựu kỹ thuật vừa là thành tựu sinh học. Một kính hiển vi để bàn thông thường không thể gắn trên đầu chuột, và một sợi cáp nối với giá đỡ cố định sẽ trói buộc con vật và làm sai lệch chính hành vi mà các nhà khoa học muốn quan sát. Việc nhồi nhét hệ thống quang học, cảm biến, nguồn điện và truyền dẫn không dây vào một thứ mà động vật có thể mang theo mà không bị căng thẳng rõ rệt đòi hỏi những cách tiếp cận mới về thu nhỏ và xử lý dữ liệu. Với trọng lượng một gram, thiết bị đủ nhẹ để các nhà nghiên cứu tin rằng nó sẽ không can thiệp đáng kể vào chuyển động tự nhiên.

Điều đó quan trọng vì hành vi là nơi hoạt động của não trở nên có ý nghĩa. Quan sát các nơ-ron phát xung khi động vật khám phá, giao tiếp xã hội, học một nhiệm vụ hoặc phản ứng với mối đe dọa là trọng tâm để hiểu cách các mạch thần kinh điều chỉnh hành vi phức tạp. Cho đến nay, các phòng thí nghiệm thường phải lựa chọn giữa ghi lại độ phân giải cao ở động vật bị cố định đầu và quan sát rộng hơn ở động vật có thể di chuyển tự do. Một thiết bị không dây ghi lại hàng nghìn tế bào cùng lúc hứa hẹn sẽ thu hẹp đáng kể sự đánh đổi đó.

Việc công bố trên Nature mang lại cho công trình sự hiển thị quốc tế và báo hiệu rằng kết quả đã vượt qua quá trình bình duyệt nghiêm ngặt. Nó cũng đặt các nhóm nghiên cứu Trung Quốc vững chắc trong số những người dẫn đầu về phần cứng công nghệ thần kinh, một lĩnh vực mà việc chế tạo công cụ từ trước đến nay do các phòng thí nghiệm ở Hoa Kỳ và châu Âu thống trị. Nhóm chưa công bố chi tiết về việc thương mại hóa, nhưng những thiết bị như thế này có xu hướng lan truyền nhanh chóng trong cộng đồng khoa học thần kinh, bởi vì một cửa sổ tốt hơn vào não bộ hữu ích cho hầu hết mọi phòng thí nghiệm nghiên cứu nó.

Đối với công chúng rộng rãi hơn, lợi ích thực tiễn có thể là gián tiếp nhưng có thật. Lập bản đồ cách các quần thể nơ-ron lớn phối hợp với nhau là nền tảng cho nghiên cứu về học tập, trí nhớ, giấc ngủ và bệnh thần kinh. Công cụ tốt hơn không tự động tạo ra phương pháp điều trị, nhưng chúng thay đổi những câu hỏi nào trở nên có thể trả lời. Một kính hiển vi có thể theo dõi hàng nghìn nơ-ron qua hành vi hàng ngày biến một số thí nghiệm trước đây chỉ là giả thuyết thành thường quy.

Có những giới hạn đáng lưu ý. Công trình được thực hiện trên chuột, và việc chuyển dịch phát hiện giữa các loài không bao giờ tự động. Thiết bị cũng ghi lại từ vỏ não, một vùng bề mặt, chứ không phải các cấu trúc sâu trong não. Tuy nhiên, con số nổi bật — một gram, tầm nhìn sáu milimét, hơn 8.500 nơ-ron cùng lúc — là loại cột mốc đặt lại kỳ vọng về những gì một cảm biến não đeo được có thể làm.

Đối với một lĩnh vực từ lâu đã bị hạn chế bởi các thiết bị của mình, điều đó là đáng kể. Bước tiếp theo sẽ là xem các phòng thí nghiệm khác áp dụng thiết bị này rộng rãi đến đâu và những khám phá nào sẽ theo sau khi việc quan sát hàng nghìn nơ-ron cùng lúc trở nên bình thường.