Tế bào thần kinh 'im lặng' ở vỏ não cảm giác được huy động để tăng cường quá trình xử lý cảm giác

Các nhà nghiên cứu tại University College London (UCL) gần đây đã tiến hành một thí nghiệm để khám phá mối liên hệ giữa các hoạt động trong vỏ não cảm giác của chuột và quá trình ra quyết định nhận thức. Những phát hiện của họ, được công bố trên tạp chí Neuron, gợi ý về sự tồn tại của các tế bào thần kinh thường im lặng trong quá trình xử lý cảm giác nhưng vẫn có thể được huy động để tăng cường nhận thức ở chuột.

Trao đổi với Medical Xpress, Oliver M. Gauld, đồng tác giả của bài báo nghiên cứu này cho biết: “Nghiên cứu này được lấy cảm hứng từ hai tiến bộ lớn trong lĩnh vực này. Thứ nhất là sự phát triển của công cụ quang học có thể đồng thời ghi lại và kích thích quang di truyền học cùng một quần thể tế bào thần kinh vỏ não. Thứ hai là sự phát triển các phương pháp tiếp cận để nghiên cứu quá trình ra quyết định thông qua các giác quan - vận động ở chuột thí nghiệm".

Trong nghiên cứu gần đây của mình, Gauld và các đồng nghiệp đã kết hợp các công cụ quang học mới được phát triển với các chức năng giác quan - vận động để nghiên cứu quá trình ra quyết định ở chuột. Mục tiêu của họ là sử dụng các phương pháp tiếp cận khác nhau này để xác định các tế bào thần kinh và các dạng hoạt động của vỏ não có liên quan đến việc tạo ra nhận thức cảm giác ở chuột.

Để thực hiện nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một nhiệm vụ ra quyết định bằng nhận thức rất đơn giản nhưng hiệu quả mạnh mẽ. Trong nhiệm vụ này, chuột cần xác định xem kích thích cảm giác truyền đến ria mép của chúng mạnh hơn ở bên trái hay ở bên phải mõm của chúng.

Gauld cho biết, “chuột báo cáo quyết định của nó bằng cách liếm trái hoặc liếm phải hai vòi nước và nó sẽ được thưởng nước đường cho những phản ứng đúng. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật quang học gọi là kỹ thuật chụp ảnh canxi hai photon để ghi lại các tín hiệu hoạt động thần kinh của vùng phản ứng với râu của vỏ não cảm giác somatosensory (còn gọi là vỏ 'thùng' - barrel cortex).

“Điều này cho phép chúng tôi mô tả được cách hiệu suất nhiệm vụ đã thay đổi hoạt động của não như thế nào - cho phép chúng tôi xác định được các tế bào thần kinh nào đã phản ứng với sự xuất hiện của các tác nhân kích thích cảm giác".

Khi phân tích các bản ghi hình ảnh canxi hai photon mà họ thu thập được, Gauld và các đồng nghiệp của ông phát hiện ra rằng hoạt động của một phần nhỏ (tức là khoảng 15%) tế bào thần kinh trong vỏ não của động vật tăng lên sau khi râu của chuột được kích thích. Phát hiện này phù hợp với các quan sát nghiên cứu trước đây, đã chứng minh sự mã hóa vỏ não "thưa thớt" của các đầu vào cảm giác ở chuột.

Gauld giải thích rằng, phần quan trọng trong nghiên cứu này sau đó là họ đã sử dụng một hệ thống tinh vi có thể thao tác quang di truyền hai photon để kích thích các nhóm tế bào thần kinh khác nhau (về cơ bản là buộc các tế bào thần kinh này phải hoạt động) và đánh giá được xem điều này có làm thay đổi các lựa chọn dựa trên nhận thức của động vật hay không.

Cụ thể, họ đã sử dụng bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM) để đưa các mẫu ánh sáng toàn ảnh vào mô. Điều này có nghĩa là, động vật thử nghiệm có thể kiểm soát rất tốt các tế bào thần kinh được kích thích bằng quang di truyền. Điều này rất cần thiết để nghiên cứu cách các mô hình hoạt động cảm giác thưa thớt dẫn đến hành vi như thế nào.

Kết hợp chụp hình ảnh canxi hai photon và quang di truyền nhắm mục tiêu SLM, các nhà nghiên cứu đã mô tả và thao tác được các mẫu hoạt động thần kinh thưa thớt trong não chuột trong khi các con vật hoàn thành nhiệm vụ ra quyết định.

Điều thú vị là các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng kích thích quang di truyền của các tế bào thần kinh "im lặng" trong vỏ não ảnh hưởng mạnh mẽ đến hành vi của những con chuột trong nghiên cứu. Bằng chứng thực nghiệm cho thấy các tế bào thần kinh im lặng chiếm phần lớn các tế bào thần kinh ở vỏ não cảm giác nông, vì chỉ có rất ít tế bào thần kinh kích hoạt điện thế hoạt động trong quá trình kích thích cảm giác.

“Trong khi vai trò chức năng của các tế bào thần kinh im lặng này vẫn còn khó nắm bắt trong nhiều năm, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng các tế bào thần kinh này có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý cảm giác”, Gaul nói.

Nhìn chung, các phát hiện do nhóm nghiên cứu thu thập cho thấy rằng các tế bào thần kinh "im lặng" trong vỏ não cảm giác được duy trì im lặng nhờ có sự ức chế mạng lưới rất mạnh trong khi chuột đang hoàn thành nhiệm vụ ra quyết định. Tuy nhiên, việc kích hoạt một số tế bào thần kinh này, chẳng hạn như những tế bào thần kinh, bằng cách các công cụ thao tác quang di truyền nhắm mục tiêu SLM, có thể tăng cường đáng kể nhận thức cảm giác của động vật.

Một hướng nghiên cứu thú vị trong tương lai là tìm hiểu vai trò nhân quả của các tế bào thần kinh im lặng ở các vùng vỏ não khác hoặc trong các quá trình nhận thức và các hành vi khác. Điều này sẽ cung cấp một lý giải toàn diện hơn về vai trò của các tế bào thần kinh im lặng trong não.