Não định vị bằng một hệ thống giống chiếc GPS sinh học: tế bào vị trí ở hồi hải mã "bật" khi ta đứng ở một chỗ nhất định, còn tế bào lưới ở vỏ não khứu – trong vẽ ra một tấm lưới tam giác đều phủ lên mặt đất. Hai phát hiện này mang lại giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2014 cho John O'Keefe, May-Britt Moser và Edvard Moser.
Câu chuyện kéo dài hơn bốn mươi năm, bắt đầu từ những con chuột chạy trong hộp và một sợi điện cực mảnh. Nó giải thích vì sao ta biết mình đang ở đâu khi nhắm mắt đi trong phòng quen, và vì sao người mắc bệnh Alzheimer thường lạc đường từ rất sớm.
Từ "bản đồ nhận thức" đến tế bào vị trí
Năm 1948, nhà tâm lý học Edward Tolman ở Berkeley viết bài "Cognitive maps in rats and men". Ông cho rằng chuột trong mê cung không chỉ học chuỗi "rẽ trái, rẽ phải" mà dựng được một tấm bản đồ trong đầu, nhờ đó tìm được đường tắt chưa từng đi. Ý tưởng này hấp dẫn nhưng suốt hai mươi năm chẳng ai biết tấm bản đồ đó nằm ở đâu.
Năm 1971, John O'Keefe ở Đại học London (UCL) cùng Jonathan Dostrovsky ghi hoạt động từng tế bào thần kinh trong hồi hải mã của chuột đang chạy tự do. Họ thấy một số tế bào chỉ phát xung khi con chuột đứng ở một góc nhất định của hộp. Chuột đi sang chỗ khác, tế bào im, tế bào khác phát xung. O'Keefe gọi chúng là tế bào vị trí (place cells).
Năm 1978, O'Keefe và Lynn Nadel viết cuốn The Hippocampus as a Cognitive Map, lập luận rằng hồi hải mã chính là tấm bản đồ Tolman từng đoán.
Tế bào lưới: tấm giấy kẻ ô trong não
Tế bào vị trí cho biết "ta đang ở chỗ này", nhưng làm sao não tính được khoảng cách và hướng? Câu trả lời đến từ hai vợ chồng người Na Uy May-Britt và Edvard Moser. Họ từng làm việc ở phòng thí nghiệm của O'Keefe, rồi về lập nhóm riêng ở Trondheim.
Năm 2005, nhóm Moser công bố trên tạp chí Nature: ở vỏ não khứu – trong (entorhinal cortex), nằm cạnh hồi hải mã, có những tế bào phát xung ở nhiều vị trí cùng lúc. Vẽ các điểm đó lên sàn, chúng tạo thành một mạng tam giác đều, như những ô lục giác xếp kín mặt sàn. Họ gọi là tế bào lưới (grid cells).
| Loại tế bào | Vị trí trong não | Phát xung khi nào | Phát hiện |
|---|---|---|---|
| Tế bào vị trí | Hồi hải mã | Khi ở một chỗ cụ thể | O'Keefe và Dostrovsky, 1971 |
| Tế bào hướng đầu | Nhiều vùng, có vùng gần hồi hải mã | Khi đầu quay về một hướng nhất định | James Ranck, thập niên 1980; Jeffrey Taube phát triển |
| Tế bào lưới | Vỏ não khứu – trong | Tại các nút của một mạng tam giác đều | Nhóm Moser, 2005 |
| Tế bào biên | Vỏ não khứu – trong | Khi ở gần tường, mép | Nhóm Moser và nhóm khác, 2008 |
Các tế bào lưới có kích thước ô khác nhau: có tế bào lưới ô nhỏ, có tế bào lưới ô lớn, sắp xếp theo từng tầng từ trên xuống dưới vùng vỏ não. Kết hợp nhiều tấm lưới kích thước khác nhau, não có thể mã hoá chính xác vị trí trên một vùng rất rộng, giống cách ta dùng nhiều kim trên đồng hồ để đọc giờ phút giây.
Vì sao lại là lục giác
Đây là câu hỏi thú vị với người mê hình học. Trong các cách xếp kín mặt phẳng bằng đa giác đều, chỉ có tam giác đều, hình vuông và lục giác đều làm được. Mạng tam giác đều (tương đương lục giác) có ưu điểm: mỗi điểm cách đều sáu điểm gần nhất, và phủ kín mặt phẳng với ít điểm nhất cho cùng độ chính xác. Một số mô hình toán học cho thấy mạng lưới kiểu này hình thành tự nhiên khi các tế bào kích thích và ức chế lẫn nhau. Đây vẫn là vùng nghiên cứu đang sôi nổi, chưa có lời giải cuối cùng.
Người cũng có tế bào lưới không
Ghi điện cực trên từng tế bào não người chỉ làm được trong hoàn cảnh đặc biệt, thường là bệnh nhân động kinh đang được theo dõi trước phẫu thuật. Năm 2013, nhóm của Joshua Jacobs ghi được hoạt động kiểu tế bào lưới ở vỏ não khứu – trong của những bệnh nhân này khi họ lái xe trong một thành phố ảo trên màn hình. Trước đó, năm 2010, nhóm Christian Doeller cũng phát hiện tín hiệu kiểu lưới bằng chụp cộng hưởng từ chức năng. Tế bào vị trí ở người cũng đã được ghi nhận từ đầu thập niên 2000.
Liên hệ với bệnh Alzheimer
Vỏ não khứu – trong là một trong những vùng đầu tiên bị tổn thương trong bệnh Alzheimer. Điều này khớp với quan sát lâm sàng: nhiều người bệnh lạc đường ở nơi quen trước khi quên tên người thân. Các nhóm nghiên cứu đang thử dùng những bài thử định hướng trong môi trường thực tế ảo để phát hiện sớm thay đổi này.
Cần nói rõ: lạc đường một lần không có nghĩa là mắc bệnh. Nhưng nếu một người lớn tuổi bỗng nhiều lần không nhận ra đường về nhà, hay lẫn lộn hướng trong khu phố đã sống lâu năm, gia đình nên đưa người đó đi khám chuyên khoa thần kinh để được đánh giá đầy đủ.
Giải Nobel 2014: ai nhận phần nào
Ủy ban Nobel tại Viện Karolinska trao một nửa giải cho John O'Keefe và nửa còn lại chia cho May-Britt Moser và Edvard Moser, "vì phát hiện các tế bào tạo nên hệ thống định vị trong não". Hai vợ chồng Moser là một trong số ít cặp vợ chồng cùng nhận Nobel. Thông cáo của Ủy ban gọi hệ thống này là "GPS bên trong" của não, một cách nói dễ hiểu dù nó khác GPS ở chỗ không cần vệ tinh mà tự tính từ chuyển động của cơ thể và các mốc xung quanh.
Góc nhìn hôm nay: cảm nhận tấm bản đồ trong đầu
Bạn có thể tự thấy hệ thống này làm việc:
- Đứng giữa phòng quen, nhắm mắt, quay hai vòng chậm, rồi chỉ tay về phía cửa. Mở mắt ra xem. Đa số người chỉ khá đúng: não đã cập nhật vị trí từ cảm giác quay của tai trong.
- Thử lại với năm vòng nhanh. Sai số tăng lên rõ: hệ thống tích luỹ lỗi khi không có mốc nhìn thấy để "chỉnh lại".
- Ở một khu phố mới, đi một vòng hình chữ nhật rồi đoán hướng về điểm xuất phát. Đây là kiểu bài người ta dùng để đo khả năng định hướng.
Muốn đọc thêm, bài giảng Nobel của ba nhà khoa học được đăng công khai trên trang của giải Nobel. Phim tài liệu và bài viết phổ thông về đề tài này cũng nhiều, nhưng nên đọc từ nguồn gốc vì báo chí hay nói quá thành "tìm ra trung tâm định vị của não".
Câu hỏi thường gặp
Tế bào vị trí là gì?
Là những tế bào thần kinh ở hồi hải mã chỉ phát xung khi con vật hay con người ở một chỗ cụ thể trong môi trường. John O'Keefe phát hiện chúng ở chuột năm 1971. Mỗi tế bào ứng với một vùng nhỏ, tập hợp lại thành tấm bản đồ nơi chốn.
Tế bào lưới là gì?
Là tế bào ở vỏ não khứu – trong phát xung tại nhiều điểm xếp thành mạng tam giác đều phủ khắp mặt sàn. Nhóm của May-Britt và Edvard Moser công bố phát hiện này năm 2005. Chúng giúp não đo khoảng cách và vị trí như một tờ giấy kẻ ô.
Giải Nobel Y học 2014 trao cho phát hiện gì?
Trao cho John O'Keefe, May-Britt Moser và Edvard Moser vì phát hiện các tế bào tạo nên hệ thống định vị trong não, gồm tế bào vị trí và tế bào lưới. O'Keefe nhận một nửa giải, hai vợ chồng Moser chia nửa còn lại.
Con người có tế bào lưới không?
Có bằng chứng là có. Năm 2013, các nhà nghiên cứu ghi được hoạt động kiểu tế bào lưới ở vỏ não khứu – trong của bệnh nhân động kinh khi họ di chuyển trong môi trường ảo. Chụp cộng hưởng từ chức năng cũng cho thấy tín hiệu tương tự.
Vì sao người bệnh Alzheimer hay lạc đường?
Vì vỏ não khứu – trong, nơi có tế bào lưới, là một trong những vùng bị tổn thương sớm nhất trong bệnh. Lạc đường ở nơi quen là dấu hiệu nên đưa người lớn tuổi đi khám chuyên khoa thần kinh, dù một lần lạc chưa đủ để kết luận gì.