Những công nghệ có bước đột phá trong năm 2014 – Phần 4

Bản đồ bộ não

Là thành quả của một thập kỷ nghiên cứu và phát triển, tập bản đồ với với độ phân giải lên tới 20 micro-met thể hiện rất nhiều chi tiết mới về cấu trúc sẽ dẫn đường cho các nhà khoa học nghiên cứu thần kinh khám phá thế giới bao la và phức tạp của não bộ.

Nơ ron thần kinh

Nơ ron thần kinh

Đây là một cột mốc quan trọng quá trình nghiên cứu cách làm việc của bộ não. Và trong những năm tới, Dự án não bộ con người của Châu Âu (Europe’s Human Brain Project) sẽ thử nghiệm một hệ thống giả lập (simulation) bộ não con người, song song với việc này, tại Mỹ, tổ chức BRAIN Initiative  (Nghiên cứu não bộ thông qua các công nghệ về thần kinh tiên tiến – Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies) sẽ xây dựng chuỗi hình ảnh về hoạt động của não. Những dự án đầy tham vọng này sẽ có được sự bổ trợ rất lớn từ nguồn tài nguyên mới: bản đồ cấu trúc toàn diện và chi tiết của tổng thể não bộ cũng như từng vùng của não.

Là một phần của Dự án não bộ con người, một nhóm nghiên cứu đứng đầu là các nhà khoa học của Đức và Canada đã hoàn thành tập bản đồ 3D về bộ não với độ phân giải cao hơn 50 lần so với các bản đồ trước đây. Trong quá trình xây dựng, các nhà khoa học đã tiến hành chia bộ não thành hàng nghìn lớp siêu mỏng, số hóa và ghép các lớp này lại thông qua một siêu máy tính và kết quả là tập bản đồ có thể cho thấy những chi tiết nhỏ tới 20 micro-met – bằng kích thước một tế bào của con người. Và đây là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu giải phẩu não bộ 3D.

Tại Trung tâm nghiên cứu Jülich, Đức, để thực hiện việc tái thiết và số hóa hình ảnh bộ não, người đứng đầu nhóm nghiên cứu – Katrin Amunts đã sử dụng máy chụp cắt lớp MRI chụp hình ảnh bộ não (đã chết) của một phụ nữ 65 tuổi. Bộ não sau đó được cắt thành nhiều lớp siêu mỏng. Các nhà khoa học đã nhuộm các lát cắt và chụp chúng bằng máy quét hình phẳng. Alan Evans và những đồng nghiệp của mình tại Học viện nghiên cứu thần kinh Montreal, Canada đã tập hợp 7404 hình ảnh thành một bộ dữ liệu với dung lượng khoảng 1 terabyte. Evans làm công việc phục hồi những vùng bị cong, rách của các mô trên lát cắt và sắp xếp, cân chỉnh hình ảnh cho khớp với vị trí thực tế của các lát cắt trong bộ não. Kết quả đạt được thật tuyệt với: một model não bộ với khả năng phóng to thu nhỏ tùy ý để quan sát sự sắp xếp của các tế bào và các mô trong não.

Trong những năm đầu của thế kỷ 20, nhà khoa học giải phẫu thần kinh người Đức Korbinian Brodmann đã chia vỏ não thành gần 50 vùng khác nhau thông qua quan sát cấu trúc và cấu tạo các bộ phận của não bằng kính hiển vi. “Chúng ta đã sử dụng nghiên cứu đó như một bộ khung để tham khảo trong suốt 100 năm qua” Evans phát biểu. Và hiện giờ ông cùng các cộng sự của mình đang hoàn thiện nghiên cứu của Brodmann bằng cách vẽ các đường ranh giới cho các vùng của não. Kết quả cho thấy trong não có tới 100 đến 200 khu vực riêng biệt và bộ bản đồ này sẽ cung cấp cơ sở chính xác hơn rất nhiều cho các nhà nghiên cứu thần kinh trong việc tìm hiểu những chức năng khác nhau của não.

“Trong tương lai, chúng tôi muốn có bản đồ não bộ để tham khảo với độ phân giải tới cấp tế bào thực tế” Amunts phát biểu về việc tăng độ phân giải của bộ bản đồ lên 1 – 2 micro met thay vì 20 micro met như hiện nay. Đó là một mục tiêu rất khó thực hiện vì một vài lí do kỹ thuật, trong đó phải kể tới công nghệ máy tính. Theo ý kiến của Evans, bộ bản đồ với độ phân giải cao như vậy sẽ có dung lượng tới vài petabyte – quá lớn để các máy tính hiện tại có thể xử lý trong thời gian thực. Và còn một vấn đề vật lý liên quan: công nghệ hiện nay không cho phép cắt lớp bộ não với độ mỏng như vậy.

Để hiện thực hóa mục tiêu này, các nhà khoa học đang nghiên cứu một số kỹ thuật mới cho phép họ quan sát sự sắp xếp của tế bào và dây thần kinh bên trong các mô não còn nguyên vẹn với độ phân giải rất cao. Và Armunts đang phát triển một trong những kỹ thuật này – sử dụng tia phân cực để xây dựng 3D cấu trúc của dây thần kinh trong mô não. Một kỹ thuật khác với tên gọi Clarity được phát triển tại phòng thí nghiệm của Karl Deisseroth – một nhà khoa học nghiên cứu thần kinh và kỹ sư sinh học tại Trường đại học Stanford, đã cho phép trực tiếp quan sát cấu trúc của nơ ron thần kinh và mạch thần kinh bên trong một não bộ còn nguyên vẹn. Bộ não, giống như bất kỳ một mô sinh học nào khác, có tính chắn sáng do các chất béo tồn tại trong tế bào. Kỹ thuật Clarity làm tan chảy các chất béo này và thay thế chúng bằng một chất gel với mục đích không làm tổn thương tới cấu tạo của tế bào và cho phép ánh sáng xuyên qua. Thí nghiệm Clarity trên não chuột đã thành công nhưng với phiên bản hiện tại thì kỹ thuật này chưa áp dụng lên bộ não con người vì kích thước não người lớn hơn rất nhiều. Nhưng Deisseroth khẳng định rằng kỹ thuật này đã có thể thực hiện được đối với các phân vùng của mô não con người để dựng lại 3D các cấu trúc dễ dàng và ít lỗi hơn với kích thước phân vùng lớn hơn hàng nghìn lần so với một lớp cắt siêu mỏng của não. “Trong tương lai, chúng tôi hy vọng kỹ thuật Clarity và kỹ thuật sử dụng tia sáng phân cực với được độ phân giải không tưởng của chúng sẽ được phát triển để có thể áp dụng đối với toàn thể não bộ” – phát biểu của Alan Evans.

Nguồn : technologyreview
Shadowsong @ Khoa học 247., Biên dịch

Authors

Related posts

Top