Cảm biến Protein Mới Cho Phép Quan Sát Tín Hiệu Não Bộ Đến Trong Thời Gian Thực

Các nhà nghiên cứu tại Viện Allen và Khuôn viên Nghiên cứu Janelia thuộc HHMI vừa tạo ra một bước đột phá quan trọng trong việc nghiên cứu hoạt động não bộ bằng cách phát triển một loại protein chuyên biệt có khả năng ghi nhận các tín hiệu hóa học đi vào từ các tế bào thần kinh. Chất chỉ thị phân tử glutamate mới này, được đặt tên là iGluSnFR4, được thiết kế để nắm bắt chính xác sự giải phóng glutamate – chất dẫn truyền thần kinh kích thích chủ yếu trong hệ thần kinh trung ương. Những phát hiện đáng chú ý này đã được công bố gần đây trên tạp chí Nature Methods, với sự tham gia của đội ngũ dự án GENIE.

Điểm nổi bật cốt lõi của cảm biến mới này chính là độ nhạy phi thường của nó, cho phép phát hiện glutamate với độ chính xác đến từng túi khớp thần kinh riêng lẻ. Điều này có nghĩa là nó có thể ghi lại sự giải phóng từng đợt phân tử dẫn truyền thần kinh. Các tác giả chính của công trình này là Tiến sĩ Kaspar Podgorski, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Allen, và Tiến sĩ Jeremy Hellman từ Khuôn viên Nghiên cứu Janelia. Tiến sĩ Podgorski nhấn mạnh rằng trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể theo dõi các xung điện đi ra, điều này đã hạn chế sự hiểu biết về các quá trình diễn ra bên trong não bộ. Công cụ mới này đã xóa bỏ rào cản đó, cho phép giám sát trực tiếp cách các tế bào thần kinh tiếp nhận thông tin, một yếu tố cực kỳ quan trọng để giải mã các mẫu đầu vào hình thành nên trí nhớ và các chức năng nhận thức.

Cảm biến iGluSnFR4 được cung cấp dưới hai phiên bản khác nhau để phục vụ các mục đích nghiên cứu đa dạng. Phiên bản iGluSnFR4f có khả năng khử hoạt tính nhanh, lý tưởng để theo dõi các động lực khớp thần kinh diễn ra chớp nhoáng. Trong khi đó, phiên bản iGluSnFR4s với tốc độ khử hoạt tính chậm hơn lại phù hợp để ghi lại hoạt động của các quần thể khớp thần kinh lớn hơn. Trong quá trình chế tạo, các nhà khoa học đã tiến hành phân tích hơn một nghìn biến thể khác nhau. Việc kiểm nghiệm được thực hiện bằng kỹ thuật kính hiển vi hai photon trên nhiều vùng não, bao gồm cả vỏ não thị giác của chuột.

Thành tựu này mở ra những chân trời mới cho việc nghiên cứu các bệnh lý thoái hóa thần kinh và rối loạn tâm thần. Lý do là vì sự bất thường trong việc truyền tín hiệu glutamate có liên quan mật thiết đến các bệnh lý như Alzheimer, tâm thần phân liệt, tự kỷ và động kinh. Việc theo dõi các tín hiệu này một cách chính xác hơn có thể đẩy nhanh quá trình tìm ra nguyên nhân gốc rễ và phát triển các phương pháp điều trị. Nó cũng cho phép các công ty dược phẩm kiểm tra tác động của các loại thuốc thử nghiệm lên hoạt động khớp thần kinh theo thời gian thực, một lợi thế không nhỏ trong ngành dược.

Theo tinh thần của khoa học mở, cảm biến iGluSnFR4 đã được cung cấp rộng rãi cho cộng đồng nghiên cứu thông qua kho lưu trữ phi lợi nhuận Addgene. Việc này thúc đẩy việc áp dụng nhanh chóng công cụ này vào các kỹ thuật tiên tiến, ví dụ như điện sinh lý thần kinh sử dụng NeuroPixels. Đây quả thực là một bước tiến lớn, hứa hẹn làm sáng tỏ những bí ẩn sâu xa nhất của bộ não con người, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của trí tuệ và bệnh lý.