Hệ thống định vị trong não chúng ta

May-Britt Moser trong bộ váy có họa tiết trang trí là hình tế bào thần kinh đính cườm trong buổi lễ trao giải Nobel năm 2014.

Nhận thức về vị trí và cách tìm phương hướng đến những nơi khác là rất quan trọng đối với cả con người và động vật.  Rất nhiều người chúng ta đã quen với việc dùng hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Position System), thường xuyên nhất là trong khi lái xe, khi kích hoạt GPS để xác định vị trí nơi cần đến, thay vì việc tra cứu bản đồ đường đi như thủa nào.
Điều hết sức thú vị là chúng ta cũng có GPS „bên trong chúng ta”. Phát hiện về GPS trong não đã được vinh danh giải Nobel Y học năm 2014.
Từ trước tới nay, chúng ta thường chỉ ngắm các bộ váy thướt tha do các nhà tạo mẫu nổi tiếng tạo ra và do các người mẫu nổi tiếng trình diễn, hay do các diễn viên, ca sĩ nổi tiếng diện trong các buổi trao giải quan trọng về điện ảnh hay nghệ thuật. Chúng ta cũng quen với không khí đặc biệt trang trọng của buổi lễ trao giải Nobel. Thời trang và khoa học dường như là hai lĩnh vực tách biệt nhau. Khả năng thời trang cùng „chung vai chung cánh” với nhau? Ít có ai có thể nghĩ tới khả năng này. Nên sự kết hợp tuyệt đẹp của hình tế bào thần kinh đính cườm lấp lánh và nổi bật trên nền màu xanh lục của chiếc váy lụa của nữ chủ nhân giải Nobel May-Britt Moser trong buổi lễ trao giải Nobel Y học năm 2014 là một ‘đòn hạ gục’ cả các nhà tạo mốt lẫn các nhà khoa học.

Phát hiện GPS trong não
Giải Nobel Y học năm 2014 vinh danh giáo sư người Anh-Mỹ John O’Keefe cùng vợ chồng giáo sư người Na Uy May-Britt và Edvard Ingjald Moser vì những khám phá về các tế bào cấu thành hệ thống định vị trong não.
Trên trang chính thức của giải Nobel năm đó, Ủy ban Nobel nhận định: “Làm thế nào biết được chúng ta đang ở đâu? Não bộ lưu trữ thông tin như thế nào để chúng ta nhận ra ngay lập tức con đường đã đi qua? Công trình của 3 nhà nghiên cứu được trao giải đã giúp trả lời những câu hỏi tưởng chừng đơn giản mà các triết gia, khoa học gia đặt ra từ nhiều thế kỷ qua. Họ đã tìm ra những tế bào tạo thành hệ thống định vị ở não bộ”.
Năm 1971, giáo sư O’Keefe đã phát hiện ra rằng „các tế bào vị trí” (place cells) ở hồi hải mã của chuột (hipocampus) đã được kích hoạt khi chuột thí nghiệm di chuyển đến vị trí cố định trong mê cung (maze). Năm 2005, vợ chồng giáo sư Moser đã phát hiện ra mấu chốt tiếp theo của hệ thống định vị ở não chuột, khi xác định được một nhóm tế bào chuyên biệt khác gọi là tế bào lưới (grid cells) thuộc vỏ não nội khứu (entorhinal cortex, hay vỏ não trước khoang mũi, liền kề vùng hồi hải mã). Hiện vẫn rất không rõ ràng về cách thức hoạt động của hàng tỷ tế bào thần kinh tạo ra suy nghĩ của chúng ta. Nhưng bản ghi các tín hiệu kích hoạt của các tế bào lưới cho thấy rằng các tế bào này đã dựng lên một hệ thống phối hợp cho phép định vị trong không gian.
Những nghiên cứu nói trên giúp chúng ta hiểu được cách thức các dạng tế bào chuyên biệt phối hợp với nhau để thực hiện những nhận thức “cao cấp”. Đây sẽ là nền tảng quan trọng để giải mã tiếp về khả năng tư duy của con người như trí nhớ, suy nghĩ, lập kế hoạch công việc.

Cặp vợ chồng Moser và giáo sư O’Keefe không nghiên cứu trên não người, nhưng nghiên cứu của họ đã cung cấp những manh mối quan trọng để hiểu được trí nhớ và khả năng nhận thức bị mất đi như thế nào. Ví dụ cụ thể là vùng hồi mã của các bệnh nhân bị bệnh Alzheimer là một trong những vùng đầu tiên của não bị tổn thương, nên làm họ mất trí nhớ, mất phương hướng, thậm trí không nhận ra cả những người thân hay các vị trí quen thuộc nhất trong nhà. Ở người, hai hồi hải mã nằm ở hai bên bán cầu não, dưới vỏ đại não và ở thùy thái dương trong. Hồi hải mã là một cấu trúc thần kinh phức tạp có hình dạng một con cá ngựa, nằm ở dưới thềm của mỗi não thất. Luồng vào chính của cấu tạo hải mã là từ các tế bào của vỏ não nội khứu. Vỏ não nội khứu nằm trong hồi cận hải mã, che lấp hải mã. 

Hồi hải mã (hippocampus, màu vàng) và vỏ não nội khứu (entorhinal cortex, màu xanh dương) trong não người.

Vợ chồng May-Britt Mayer và Edvard Ingjald Moser là một trong sáu cặp vợ chồng đạt giải Nobel,  trong đó có năm cặp đạt giải cùng nhau:  1/ vợ chồng Marie-Piere Curie nhận giải Nobel Vật lý năm 1903, 2/ vợ chồng Frederic và Irene Joliot-Curie nhận giải Nobel hóa học năm 1935, 3/ vợ chồng Gerty Theresa và Carl Ferdinand Cori nhận giải Nobel Y học năm 1947, 4/ vợ chồng May-Britt và Edvard Ingjald Moser nhận giải Nobel Y học năm 2014,  5/ vợ chồng Abhijit Banerjee và Esther Duflo nhận giải Nobel kinh tế năm 2019 và  6/ vợ chồng Alva và Gunnar Myrdal trong đó ông Gunnar đã được trao giải Nobel Kinh tế năm 1974 và bà Alva được trao giải Nobel Hòa bình năm 1982. Cặp Moser là cặp thứ hai kề vai sát cánh bên nhau từ giảng đường đến bục vinh quang (cặp thứ nhất là cặp Cori).
May-Britt và Edvard không sinh ra trong gia đình trí thức và cũng không lớn lên trong môi trường học thuật. Họ sinh ra và lớn lên ở hai  hòn đảo nhỏ cách xa thành phố. Họ học cùng trường trung học, học cùng lớp toán, lý và hóa, nhưng không tương tác với nhau vì thuộc nhóm khác nhau. Edvard là học sinh giỏi với điểm cao nhất cho tất cả các môn (trừ thể dục). May-Britt không phải là học sinh giỏi khi ở trường. Khi vào đại học, ban đầu May-Britt cũng không chắc mình muốn học ngành nào. Chỉ đến khi May-Britt và Edvard tình cờ gặp lại nhau ở Oslo, họ mới cùng nhau quyết định học tâm lý học, vì cùng háo hức muốn hiểu về bộ não. Họ kết hôn khi vẫn còn là sinh viên (năm 1985), cùng tốt nghiệp thạc sĩ (năm 1990) và cùng là nghiên cứu sinh (những năm 1991-1995), làm việc trong cùng nhóm nghiên cứu với cùng giáo sư hướng dẫn và cùng nghiên cứu phần cấu trúc trong não, và cùng nhận bằng tiến sĩ sinh lý thần kinh (năm 1995). Tình bạn, tình yêu và niềm đam mê trí tuệ chung của họ đã nảy nở thành một mối quan hệ hợp tác chuyên nghiệp kéo dài hơn ba thập kỷ. Mặc dù cuộc hôn nhân của họ kết thúc (năm 2016), họ vẫn tiếp tục hợp tác khoa học. Theo ý kiến của May-Britt, bà và Edvard làm việc tốt hơn bao giờ hết với nhau sau khi ly hôn.
Năm 1988, mặc dù là sinh viên tâm lý học, nhưng vì niềm đam mê chung về bộ não, họ kiên định giải thích cho Per Andersen, một nhà sinh lý học thần kinh với danh tiếng quốc tế ở Oslo về nghiên cứu não bộ, lý do tại sao họ muốn làm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của ông. Andersen rất lưỡng lự, vì ông nghiên cứu về sinh lý học, trong khi cặp Moser quan tâm đến sự giao thoa giữa hành vi và sinh lý học. Cặp đôi ngồi lì hàng giờ đồng hồ liền để thuyết phục, họ chỉ rời khỏi văn phòng của Andersen sau khi ông chấp nhận họ làm luận án thạc sĩ với ông. Nhiệm vụ đầu tiên họ cùng thực hiện theo yêu cầu của Andersen là xây dựng một mê cung nước. Vậy là, vào ban ngày hai sinh viên tâm lý học đến giảng đường, buổi tối họ xắn tay xây dựng một bể chứa có đường kính 2 mét, cao 50 cm, chứa 1200 lít nước pha với 3 lít sữa. Ngày nào họ cũng phải bơm hết nước ở bể ra, rồi lại đổ đầy nước mới vào bể, đi đến cửa hàng để mua 3 lít sữa mới để pha vào bể nước và luôn giữ nhiệt độ nước ở 25 độ C, sao cho lũ chuột cảm thấy thoải mái trong bể khi chúng học cách tìm thấy sàn được ẩn dưới nước. Sau đó họ đã nghiên cứu hồi hải mã của những con chuột khi chúng bơi trong mê cung. Một thách thức lớn nữa là hai sinh viên tâm lý học này chưa hề có một bất cứ kiến thức nào về giải phẫu não, nên họ còn phải tự học về giải phẫu não cũng như tự tiến hành bài thực tập giải phẫu. Vượt qua tất cả khó khăn họ hoàn thành xuất xắc luận văn thạc sĩ và rồi họ tiếp tục làm nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn của Andersen.
Cặp đôi Moser thực hiện và kết thúc chương trình nghiên cứu sinh cùng với sự hiện diện của hai con nhỏ: họ sinh con gái đầu (năm 1991) chỉ ngay sau khi họ bắt đầu học tiến sĩ và con gái thứ sinh ra chỉ sáu tháng trước khi họ nhận bằng tiến sĩ (năm 1995). Britt-May là một phụ nữ tiêu biểu của thời hiện đại: mang con đến các cuộc họp khoa học, cho con bú sữa mẹ ở nơi công cộng và thường xuyên mang con đến phòng thí nghiệm. Khi bé, con gái họ thường xuyên ngồi lòng mẹ khi May-Britt quan sát nhưng con chuột thí nghiệm và ghi lại số liệu thực nghiệm.  Khi lớn, các cô bé thường chơi với những con chuột trong phòng thí nghiệm và ngắm đọc cả tạp chí chuyên đề về vùng hải mã.
Cặp Moser cùng tham gia nghiên cứu sau tiến sĩ ở Edinburgh với Richard Morris-một nhà thần kinh học nổi tiếng người Anh nghiên cứu về chức năng của hồi hải mã, và họ cũng đến làm việc với nhà thần kinh học John O’Keefe tại Đại học College London. Chỉ chưa đầy một năm sau khi nhận bằng tiến sĩ, cặp Mosers đã được bổ nhiệm vị trí trợ giảng giáo sư và nhận được một phòng thí nghiệm (năm 1996) tại Đại học Khoa học và Công nghệ ở Trondheim (Norwegian University of Science and Technology in Trondheim (NTNU)). Sự nghiệp của cặp đôi tiếp tục thăng hoa. Edvard được thăng chức giáo sư khi chỉ mới 36 tuổi (năm 1998), còn May-Britt khi chỉ mới 37 tuổi (năm 2000). Hai năm sau (2002) cặp đôi trở thành đồng giám đốc sáng lập Trung tâm Trí nhớ Sinh học (Centre for the Biology of Memory (CBM), được phát triển từ phòng thí nghiệm của Mosers từ 1996) và nhận được tài trợ của chính phủ trong 10 năm, đến năm 2012. (Từ năm 2007, CBM trở thành Viện Khoa học Thần kinh trong hệ thống Kavli (Kavli Institute for Systems Neuroscience). Năm 2013 họ trở thành đồng giám đốc khoa học của Trung tâm Tính toán Thần kinh (Centre for Neural Computation (CNC)) được chính phủ tài trợ đến năm 2022.
Khi làm việc tại CBM, họ cố gắng tìm ra nguồn gốc của tín hiệu „tế bào vị trí” do O’Keefe tìm ra, họ nhắm vào phần lưng (dorsal part) và phần trung gian (medial part) của vỏ não nội khứu. Năm 2005, May-Britt Moser và Edvard phát hiện ra một loại tế bào mới. Lúc đầu, họ nghĩ rằng có lẽ đó là một loại tế bào vị trí giống như tế bào vị trí trong hồi hải mã. Nhưng rồi họ nhận ra rằng, không giống như hoạt động của các tế bào vị trí, hoạt động của các tế bào này có liên quan đến không gian, được kích hoạt theo một mô hình đều đặn dạng lưới lục giác đều (hay tam giác đều). Do vậy các tế bào thần kinh này được gọi là tế bào lưới (grid cells). Nghiên cứu của họ không chỉ dừng lại ở phát hiện ra loại tế bào lưới này và sự tập hợp của chúng để tạo thành một hệ thống tọa độ, mà họ đã khám phá ra nguồn của nó: vỏ não nội khứu, một mảng hẹp, dọc ở phía sau não chuột, nơi chia sẻ các kết nối trực tiếp với một khu vực của hồi hải mã. Mô hình lục giác này không phụ thuộc vào những thay đổi về tốc độ hay hướng của động vật, cho thấy rằng cơ chế mạng lưới của các tế bào lưới là một phần của cơ chế lập bản đồ không gian.
Năm 2007, nhóm nghiên cứu của Moser tìm thấy các tế bào nhận diện được phương hướng cho biết con vật đang quay về hướng nào, được gọi là tế bào cảm nhận hướng đầu (cells for sense of head direction) trong vỏ não nội khứu trung gian, đặc biệt là ở các lớp sâu và trung gian, xen kẽ với các tế bào lưới trong các lớp này. Tế bào hướng đầu có hoạt động tương tự như la bàn, ngoại trừ việc hướng là được xác định bởi các tín hiệu cục bộ, chứ không phải bởi tín hiệu từ như đối với la bàn. Nhiều tế bào hướng đầu đồng thời là tế bào lưới, được gọi là các tế bào liên kết. Tín hiệu không gian và định hướng kết hợp của các tế bào này rõ ràng chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa các chỉ số về hướng và vị trí. 

Trái: Tế bào lưới từ vỏ não nội khứu của chuột. Dấu vết màu đen cho thấy quỹ đạo của một con chuột đang kiếm ăn trong trong bể hình vuông quây có đường kính rộng 1,5 m. Các vị trí đạt đỉnh tín hiệu của tế bào lưới là màu đỏ.Mỗi chấm đỏ tương ứng với một đỉnh (spike). Các hình tam giác đều màu xanh để minh họa cấu trúc lục giác đều của mô hình lưới. Phải, trên: tín hiệu tế bào lưới và vị trí. Các quỹ đạo với các vị trí đỉnh giống như ở bên trái. Phải, dưới: bản đồ được mã hóa màu, với màu đỏ hiển thị hoạt động cao và màu xanh lam hiển thị hoạt động thấp. Các tế bào lưới được cho là cung cấp (nhiều, nhưng không phải tất cả) tín hiệu đầu vào không gian cho các tế bào vị trí.

Năm 2008, nhóm của họ tìm ra các tế bào cảm nhận ranh giới hoặc biên giới (border cells) có chức năng khác với các tế bào lưới. Chúng nằm xen kẽ với tế bào lưới và tế bào hướng đầu. Sau đó họ chỉ ra rằng sự kết hợp của nhiều loại tế bào khác nhau này đã tạo thành hệ thống mạch các tế bào đa dạng với các chức năng riêng biệt, tạo nên hệ thống định vị trong não. Cảm giác định hướng của não bộ được điều khiển theo tối thiểu bốn bản đồ riêng biệt về vị trí để mã hóa không gian.
Năm 2009, họ chứng minh rằng các tế bào lưới được tổ chức thành một số lượng nhỏ các mô-đun chức năng (functional moduls), mỗi mô-đun có khoảng cách lưới riêng biệt và nhận thấy rằng các mô-đun có thể hoạt động độc lập khi có sự thay đổi về hình dạng của môi trường (ví dụ như là mê cung hình vuông hay hình tròn cho chuột thí nghiệm).
Năm 2014, ở tuổi 51, May-Britt đã cùng với Edvard Moser và cố vấn của họ là giáo sư John O’Keefe nhận giải Nobel Y học. Mặc dù Britt-May và Edvard Moser ly hôn năm 2016, họ vẫn tiếp tục làm việc cùng nhau, theo đuổi niềm đam mê chung của họ là khám phá hoạt động của bộ não. 

Vợ chồng May-Britt và Edvard Moser cùng hai con gái của họ trong buổi lễ trao tặng giải Nobel Y học năm 2014.

Trang trí tế bào thần kinh trên váy   
Những người nhận giải Nobel ăn mặc như thế nào khi nhận giải Nobel? Nhà nữ khoa học thần kinh người Na Uy May-Britt Moser đã mặc chiếc váy thanh lịch với các tế bào thần kinh lấp lánh.
Chiếc váy của May-Britt là sản phẩm trí tuệ của nhà thiết kế người Anh Matthew Hubble. Hình đính cườm óng ánh của mạng lưới các tế bào thần kinh trên chiếc váy satin gợi lên cách các tế bào lưới trong não của chúng ta nháy sáng lên khi chúng giúp chúng ta xác định vị trí của mình trong không gian.
Hubble nói với báo chí rằng anh muốn thay đổi nhận thức rằng các nhà khoa học phải là những con mọt sách trong phòng thí nghiệm. Anh thực sự ấn tượng với tình yêu của Mosers với khoa học và đặc biệt là cuộc đời của May-Britt đã truyền cảm hứng cho anh. Anh còn nêu quan điểm là „hiện nay có rất nhiều nhà khoa học nữ quan tâm đến thời trang. Họ thích trang điểm, đi giày cao gót và mặc những bộ váy đẹp…” Hubble đã liên hệ với May-Britt bàn về việc thiết kế một chiếc váy thời trang cao cấp cho bà. Kết quả là nhà thiết kế đã tìm thấy „nàng thơ” diện thiết kế thời trang xuất sắc của mình, nhưng không phải là trước một rừng ống kính máy ảnh của cánh báo chí và những khán giả bóng bẩy của buổi trình diễn thời trang hay trao giải Oscar, mà là trước những đôi mắt thán phục và ngưỡng mộ của những khán giả…„mọt sách” trong lễ trao giải…Nobel. „Nàng thơ” của Hubble không chỉ trông hoàn toàn xứng đáng với giải thưởng khoa học triệu đô (tiền thưởng của một giải Nobel) mà còn là một chiến thắng khải hoàn của thời trang.

Hình đính cườm tế bào thần kinh trang trí trên váy của May-Britt Moser (trái) và hình phóng đại của các neuron thần kinh.

Chiếc váy lụa có màu xanh biển đậm, làm nổi bật hình đính cườm lóng lánh của đuôi gai và thân các tế bào thần kinh. Cổ áo dạng bất đối xứng với đường viền lóng lánh cũng tôn lên vẻ đẹp tổng thể của chiếc váy cũng như dáng của người mặc. Khi May-Britt Moser bước lên sân khấu trao giải Nobel, tất cả đều xuýt xoa tán thưởng lựa chọn không những tuyệt đẹp mà cả khiếu hài hước của bà (và của nhà thiết kế).
Thật là một sự kiện đặc biệt khi được chứng kiến một nhà khoa học nữ được trao giải Nobel. Và còn đặc biệt hơn khi được ngắm nhìn một nhà khoa học nữ xuất sắc trong một tác phẩm thời trang tuyệt vời đã nêu bật sự khám phá mà đã đạt giải Nobel.

Tài liệu tham khảo và ảnh: Internet.
Đặc biệt từ trang:
https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2014/may-britt-moser/biographical/
https://partner.sciencenorway.no/biology-brain-nobel-prize-winners/nobel-laureate-may-britt-moserthe-norwegian-stance-on-equality-gave-me-a-unique-opportunity/1756519