Nhưng giờ đây, những câu hỏi cơ bản về khoa học thần kinh có thể được giải đáp thông qua sinh vật thí nghiệm mới là loài sứa nhỏ.

Bộ não phát sáng

Tháng 11 vừa qua, một nghiên cứu về cấu trúc và hoạt động của hệ thống thần kinh của loài sứa đã được công bố trên tạp chí khoa học Cell. Tác giả của bài nghiên cứu là những chuyên gia hàng đầu về thần kinh học trên thế giới như GS Sinh học David J. Anderson, Chủ tịch Trung tâm Khoa học Thần kinh Tianqiao; ông Chrissy Chen, Điều tra viên Viện Y tế Howard Hughes….

Tập trung tại trung tâm nghiên cứu Caltech, các nhà khoa học đã thiết kế hộp công cụ di truyền dành riêng nghiên cứu Clytia hemisphaerica, một loài sứa có đường kính khoảng 1 cm khi trưởng thành. Bộ công cụ này sẽ biến đổi gen của sứa Clytia khiến tế bào thần kinh của chúng phát ra ánh sáng huỳnh quang khi hoạt động.

Vì sứa là loài vật trong suốt nên các nhà nghiên cứu có thể quan sát hoạt động thần kinh của nó trong tự nhiên. Nói cách khác, nhóm nghiên cứu có thể “đọc vị” suy nghĩ của một con sứa khi nó kiếm ăn, bơi lội, lẩn tránh những kẻ săn mồi. Hơn thế nữa, các nhà khoa học có thể hiểu cách bộ não tương đối đơn giản của con vật điều phối các hành vi của nó.

Ngược trở lại vấn đề nêu trên, khi nhắc đến các sinh vật thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm, sứa là một loài cực kỳ khác thường. Giun, ruồi, cá và chuột là những sinh vật phổ biến hơn cả trong phòng thí nghiệm bởi về mặt di truyền, chúng có quan hệ gần gũi với nhau và với con người hơn bất kỳ loài sứa nào. Trên thực tế, về mặt tiến hoá, giun có những điểm giống với con người hiện đại hơn so với loài sứa.

Ông Brady Weissbourd, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi lựa chọn sứa bởi khi so sánh giữa các loài, chúng có quan hệ họ hàng xa với nhau. Loài sứa nhỏ này khiến chúng tôi đặt ra câu hỏi liệu các nguyên lý của khoa học thần kinh có đúng với mọi hệ thần kinh hay không? Hay hệ thần kinh gần như nguyên thuỷ trông như thế nào? Bằng cách khám phá thiên nhiên rộng lớn, chúng tôi có thể khám phá những đổi mới sinh học hữu ích”.

Nhấn mạnh tầm quan trọng của đặc điểm nhỏ, trong suốt ở loài sứa, ông Brady giải thích cấu tạo này là nền tảng thú vị cho khoa học thần kinh hệ thống. Đó là bởi vì sự trong suốt là công cụ mới để theo dõi, điều khiển hoạt động thần kinh của não bộ bằng ánh sáng. Các nhà nghiên cứu có thể quan sát toàn bộ hoạt động thần kinh của loài sứa sống dưới kính hiển vi và có thể tác động đến toàn bộ hệ thống thần kinh của chúng.

Cấu trúc thần kinh hình miếng pizza

Thay vì nằm tập trung trong hộp sọ như cơ thể loài người, não của sứa được khuếch tán trong toàn bộ cơ thể giống như một tấm lưới. Các bộ phận cơ thể khác nhau của sứa hoạt động độc lập, không có sự kiểm soát tập trung từ phân khu não bộ. Chẳng hạn, nếu một con sứa bị phẫu thuật cắt bỏ miệng, nó vẫn có thể tiếp tục “ăn”.

Cơ chế “phi tập trung” này có thể nói là chiến lược tiến hoá tương đối thành công vì sứa đã tồn tại trong thế giới động vật hàng trăm triệu năm. Nhưng đồng thời đặt ra bài toán rằng làm thế nào hệ thống thần kinh phi tập trung này có thể điều phối và sắp xếp hành vi?

Trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học phát hiện khi loài sứa Clytia dùng xúc tu ngoạm lấy tôm ngâm nước mặn, một loài giáp xác thuỷ sinh, nó sẽ gập cơ thể lại để đưa xúc tu lên miệng; đồng thời, uốn cong miệng về phía xúc tu. Tuy nhiên, với hệ thống thần kinh phân tán khắp cơ thể, não bộ của sứa không có cấu trúc đối xứng xuyên tâm để điều phối sự gấp khúc như vậy.

Thông qua bộ công cụ nghiên cứu, các nhà khoa học đã quan sát cách thức hoạt động của hệ thống thần kinh khi sứa săn mồi và tìm ra câu trả lời. Cụ thể, mạng con của tế bào thần kinh của loài sứa đã tạo ra một phân tử neuropeptide, chịu trách nhiệm cho sự gấp khúc của cơ thể.

Ngoài ra, mặc dù mạng lưới tế bào thần kinh của sứa dường như khuếch tán, không có cấu trúc, các nhà nghiên cứu nhận thấy não bộ của chúng có tổ chức theo cách khác với con người.

GS Anderson giải thích: Các thí nghiệm của chúng tôi chỉ ra mạng lưới nơ-ron thần kinh được khuếch tán bên dưới cấu trúc ô hình tròn của sứa và chia các tế bào thần kinh theo vùng hoạt động. Các vùng này được tổ chức thành hình nêm giống như lát bánh pizza. Mỗi lát bánh pizza sẽ chịu trách nhiệm điều khiển những bộ phận cơ thể của loài sứa gần đó.

Khi một con sứa ngoạm một con tôm ngâm nước mặn bằng xúc tu, các tế bào thần kinh trong “miếng pizza” gần xúc tu đó trước tiên sẽ kích hoạt, khiến xúc tu đang ngoạm lấy con mồi gập vào trong, đưa vào miệng.

Mức độ tổ chức thần kinh như vậy hoàn toàn không thể nhìn thấy bằng mắt thường hay dưới kính hiển vi. Chỉ khi hệ thống thần kinh của loài sứa được phủ một lớp huỳnh quang phát sáng, các hoạt động thần kinh đơn lẻ như vậy mới được phát hiện.

Ông Weissbourd nhấn mạnh kết quả trên thú vị, bất ngờ nhưng chỉ là bề nổi để hiểu được toàn bộ hành vi của loài sứa. Trong tương lai, các nhà khoa học muốn sử dụng những kết quả này làm nền tảng để hiểu được toàn bộ hệ thống thần kinh và những hệ thống phức tạp hơn của đời sống tự nhiên.