Tạo ra bản đồ hoàn chỉnh đầu tiên về não côn trùng

Theo báo cáo trên tạp chí Nature hôm 9/3, nhóm nghiên cứu gồm 20 nhà khoa học đến từ Anh, Mỹ và Đức đã mất 12 năm làm việc tỉ mỉ để xây dựng bản đồ não hoàn chỉnh của ấu trùng ruồi giấm (Drosophila melanogaster) , cho thấy vị trí của tất cả 3.016 tế bào thần kinh (neuron) và 548.000 khớp thần kinh (synapse), nơi các tế bào có thể gửi cho nhau thông điệp hóa học, từ đó kích hoạt các tín hiệu điện truyền qua đường dẫn của tế bào.

Nhóm nghiên cứu cũng đã phân loại 93 loại tế bào thần kinh riêng biệt, khác nhau về hình dạng, chức năng và cách chúng kết nối với các tế bào thần kinh khác. Điều này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự chuyển động của các tín hiệu điện từ neuron này sang neuron khác.

"Nếu muốn hiểu chúng ta là ai và suy nghĩ như thế nào, thì không thể bỏ qua cơ chế của suy nghĩ, và chìa khóa của điều đó là biết cách các tế bào thần kinh kết nối với nhau" , kỹ sư y sinh Joshua T. Vogelstein tại Đại học Johns Hopkins của Mỹ, đồng tác giả của nghiên cứu, nhấn mạnh.

Bản đồ cho thấy tập hợp đầy đủ các tế bào thần kinh và khớp thần kinh trong não của ấu trùng ruồi giấm. (Ảnh: Đại học Johns Hopkins/Đại học Cambridge)

Để tạo ra bản đồ tuyệt đẹp này, nhóm nghiên cứu đã quét hàng nghìn lát não của ruồi giấm con bằng kính hiển vi điện tử độ phân giải cao, sau đó ghép các bức ảnh lại với nhau và đánh dấu tỉ mỉ từng kết nối giữa các neuron. Điều đó bao gồm cả các tế bào giao tiếp với nhau trong mỗi nửa của não cũng như giữa hai bán cầu não.

Các bán cầu não có nhiều chức năng quan trọng và độc đáo, nhưng cách chúng kết hợp và sử dụng thông tin từ mỗi bên cho hành vi và nhận thức phức tạp vẫn chưa được hiểu rõ.

Bản đồ thu được đã khiến các nhà khoa học ngạc nhiên theo nhiều cách. Ví dụ, chúng ta có xu hướng nghĩ rằng các neuron gửi thông điệp đi qua các dây dài gọi là sợi trục (axon) và nhận thông điệp qua các dây phân nhánh ngắn hơn gọi là đuôi gai (dendrite). Tuy nhiên, có những ngoại lệ đối với quy tắc này và hóa ra các kết nối axon-axon, dendrite-dendrite và dendrite-axon chiếm khoảng một phần ba số khớp thần kinh trong não ruồi ấu trùng, theo tác giả đầu tiên của nghiên cứu Michael Winding tại Khoa Động vật học thuộc Đại học Cambridge của Anh.

Vogelstein cho biết bộ não của ruồi giấm cũng "nông" một cách đáng ngạc nhiên, nghĩa là thông tin cảm giác truyền qua rất ít neuron trước khi tới một neuron có thể điều khiển ruồi giấm thực hiện một hành vi vật lý. Để đạt được mức độ hiệu quả này, bộ não đã tích hợp sẵn các "lối tắt" giữa các đường dẫn, phần nào giống với mạch trong các hệ thống AI tối tân.

Bản đồ não hoàn chỉnh của ruồi giấm có thể mở ra cơ hội cho nhiều tiến bộ trong tương lai, chẳng hạn như các hệ thống AI tiết kiệm năng lượng hơn và hiểu rõ hơn về cách con người học hỏi.

"Con người làm những việc như đưa ra quyết định, học hỏi, điều hướng môi trường, ăn uống... và ruồi cũng vậy. Có lý do chính đáng để nghĩ rằng cơ chế mà ruồi có để thực hiện các loại chức năng nhận thức này cũng có ở người" , Vogelstein nói thêm.