Dùng virus vẽ bản đồ não

Chuyên đề

Dùng virus vẽ bản đồ não

Phòng thí nghiệm E11 Bio đang tìm hiểu kỹ thuật mới mẻ nhằm vẽ bản đồ chi tiết bộ não ở chuột.

Hình ảnh tái tạo tế bào thần kinh và khớp thần kinh trong vùng hồi hải mã của chuột bằng kỹ thuật lập bản đồ não do E11 Bio phát triển. Nguồn: Tyler Sloan/Quorumetrix.

Tác giả: Ashlee Vance

21 tháng 1, 2025 lúc 3:25 PM

Vào đầu tháng 10.2024, các nhà khoa học công bố một phát hiện ngoạn mục: Bản đồ não hoàn chỉnh của ruồi giấm. Dù chỉ nhỏ bằng hạt muối, bộ não đấy có 140 ngàn nơron được kết nối nhờ số dây dẫn thần kinh dài tổng cộng hơn 150 mét. Bản đồ cho thấy vô số kiểu tế bào và cách thức kết nối của chúng, hứa hẹn giúp chúng ta hiểu hơn cách thức vận hành của bộ não. Giới khoa học rất phấn khởi vì phát hiện này.

Đó là một thành tựu lớn, nhưng nó cũng cho thấy bước tiến đạt được trong lĩnh vực này khó khăn ra sao. Hàng trăm nhà khoa học đã bỏ ra cả một thập kỷ để chia bộ não thành những mảnh nhỏ xíu, chụp hình được ở độ phân giải cao, rồi lắp ghép hàng triệu hình ảnh đấy thành bức tranh tổng thể, xong lại phân tích nó nhờ vào cả kiến thức chuyên gia lẫn phần mềm trí tuệ nhân tạo (AI). Cột mốc trước đó của lĩnh vực này là bản đồ não bộ trọn vẹn, tức toàn não đồ, của một loài giun chỉ có 302 nơron, được xác lập vào những năm 1980. Phải trải qua rất nhiều đột phá công nghệ, giới khoa học mới đạt tới đẳng cấp não ruồi giấm hiện nay.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu muốn vẽ bản đồ não chuột, vốn có tới 70 triệu nơron. Phần thưởng lớn nhất tất nhiên sẽ là bản đồ não người, với 100 tỉ nơron và 100 ngàn tỉ kết nối. Thật ra, tính khả thi của dự án khổng lồ đấy vẫn là điều đáng ngờ khi ngay cả các hệ thống máy tính hiện đại cũng có thể “chết chìm” trong lượng dữ liệu như vậy.

Chính ở đây, E11 Bio vào cuộc.

Trong ba năm qua, khoảng một tá nhà nghiên cứu đã làm việc ở phòng thí nghiệm của E11 tại Alameda, California, để phát triển kỹ thuật vẽ bản đồ não tốt hơn, rẻ hơn và nhanh hơn. Trong khi các công nghệ hiện chỉ ở mức sơ khởi, Andrew Payne, CEO và nhà đồng sáng lập E11, tin rằng có thể rút ngắn một nửa thời gian vẽ bản đồ não trong khi giảm chi phí xuống 100 lần.

02.2.jpg — Andrew Payne tại phòng thí nghiệm E11 Bio ở Alameda, California. *Hình ảnh: Jason Henry*

“Theo nhiều nghĩa, bộ não là hệ thống sinh học phức tạp nhất, và chúng ta đơn giản không biết nó vận hành ra sao,” Payne nói về nghiên cứu của E11, lần đầu tiên tổ chức này xuất hiện với đại chúng. “Đây là biên giới lớn của khoa học, và còn rất nhiều việc phải làm.” Giống như nhiều người khác trong lĩnh vực toàn não đồ, ông nói vẽ bản đồ não tốt hơn có thể dẫn tới những đột phá trong điều trị bệnh tật và cải thiện hiệu năng của các hệ thống AI được thiết kế bắt chước não người.

Một trong những thách thức chính hiện là hiểu được hình ảnh não bộ mật độ cực cao. Các nhà nghiên cứu ở đại học Harvard và Google mới đây đã tạo ra hình ảnh ba chiều của một mm khối não người. Trong thể tích đó có khoảng 57 ngàn tế bào và 150 triệu điểm tiếp hợp thần kinh kết nối các nơron. Hình ảnh này được vẽ ra bằng 1,4 petabyte dữ liệu (tương đương 14 ngàn bộ phim điện ảnh độ phân giải cao) và là một khối hỗn loạn liên kết sinh học trông chẳng khác gì một mớ mì spaghetti đan xen vào nhau.

03.2.jpg — Mẫu não chuột kích thước bình thường (bên trái) và mẫu não chuột đã được phóng đại tại E11 Bio. *Hình ảnh: Jason Henry*

Để hiểu được cách thức vận hành của đống mô khổng lồ đấy, các nhà nghiên cứu phải tìm ra một nơron, rồi lần theo kết nối của nó với các nơron khác. Việc này chẳng khác gì lần theo một sợi mì trong đống mì rối rắm để xem nó bắt đầu và kết thúc ở đâu, cùng tất cả những lần mà nó giao cắt với các sợi mì khác.

Phần lớn công việc này ngày nay do phần mềm AI đảm trách, còn con người đảm nhiệm thao tác tỉ mỉ là sửa sai và tìm những đường liên kết mà AI không nhận ra. Wellcome Trust, tổ chức thiện nguyện tài trợ nghiên cứu khoa học, ước tính sẽ mất hơn 15 năm để vẽ ra toàn não đồ của chuột, với số tiền tiêu tốn là từ 7,5 tới 21,7 tỉ đô la Mỹ. Hầu hết chi phí này là để trả cho những người đọc dò kiểm tra bản đồ não.

Trong khi cũng có những nhóm khác đang tham gia công việc này ở nhiều mức độ khác nhau, chưa rõ là một chính quyền hay tổ chức nghiên cứu có chịu bỏ ra số tiền khổng lồ như vậy không. “Chi phí đọc dò là trở ngại lớn nhất hiện nay,” theo Payne.

Cách tiếp cận của E11 về cơ bản là để bộ não tự dán nhãn. Họ làm vậy bằng cách cấy vào não chuột những con virus mang theo các mẫu DNA tới từng nơron đơn lẻ và chỉ thị cho nơron đấy sản xuất ra các protein đặc biệt. Những protein này sau đó sẽ trở thành công cụ nhận dạng sinh học giống như mã vạch. Nếu cấy đủ virus vào bộ não, nơron đơn lẻ và các cấu trúc khác rốt cuộc sẽ có những kết hợp protein đóng vai trò yếu tố nhận dạng riêng biệt. Virus sẽ được cấy vào một con chuột sống, và mất ba tuần để nó bắt tay vào việc. Sau đó, não chuột sẽ được lấy ra để nghiên cứu.

Chuẩn bị một mẫu não chuột. *Hình ảnh: Jason Henry*

Tiếp đến, E11 đưa các kháng thể vào não, mang theo chất nhuộm huỳnh quang tới các protein, nhờ đó họ có thể dùng kính hiển vi quang học chiếu các chùm tia sáng lên mô não và nhận biết màu sắc tương ứng. Mỗi nơron sẽ phát sáng một màu riêng biệt, và có thể lần theo kết nối thần kinh bằng cách đi theo màu sắc cụ thể đó. Về cơ bản, mô não vốn có sẵn các nhãn dán cho vô số cấu trúc và tuyến đường kết nối.

Kính hiển vi quang học có thể dùng để xử lý mẫu mô lớn hơn so với kính hiển vi điện tử, vốn được sử dụng trong hầu hết các nghiên cứu toàn não đồ khác. Nhờ vậy, lượng lát cắt não cần thiết giảm xuống. Payne ước tính E11 có thể phân tích toàn bộ não chuột chỉ dựa trên vài trăm lát cắt, thay vì 100 ngàn lát nếu dùng kính hiển vi điện tử. Hơn nữa, bản đồ kết nối thần kinh cũng sẽ chính xác hơn, và đỡ công tác đọc dò kiểm tra hơn.

Kính hiển vi và các thiết bị phòng thí nghiệm khác tại cơ sở của E11 Bio ở Alameda.
*Hình ảnh: Jason Henry*

E11 là tổ chức nghiên cứu tập trung, viết tắt là FRO, ý tưởng mà cựu CEO Google Eric Schmidt đã giúp khởi xướng nhằm thúc đẩy các hoạt động nghiên cứu khoa học quan trọng. Thay vì nghiên cứu mở, FRO tập trung vào giải quyết một vấn đề cụ thể trong khoảng năm năm, để xem họ có thể đạt được tiến bộ lớn nào không, rồi chia sẻ các phát hiện với cộng đồng khoa học rộng lớn. Lý luận ở đây là hoạt động theo đuổi nhiều đột phá khoa học quá đắt đỏ và rủi ro với các trường đại học, và quá bất trắc về mặt thương mại với các công ty khởi nghiệp. FRO sẽ đóng vai trò sân chơi thử nghiệm cho các ý tưởng mới mẻ để thúc đẩy khoa học nói chung, rồi dẫn tới một loạt các công ty khởi nghiệp.

Những nhà đầu tư vào E11 bao gồm Convergent Research (ở ngoại ô Boston), công ty đã đầu tư 50 triệu đô la vào nhiều FRO đại diện cho Schmidt và các nhà đầu tư khác, cùng James Fickel, triệu phú vốn rất ủng hộ công nghệ sinh học và nghiên cứu não bộ. (Payne từ chối không cho biết E11 đã huy động được bao nhiêu tiền).

Theo Payne, công nghệ dán nhãn protein của E11 đã đủ hứa hẹn để họ chuyển từ mô hình ý tưởng sang xây dựng cơ sở hạ tầng chụp ảnh não chuột. Đầu năm tới, E11 có kế hoạch xuất bản tài liệu nêu chi tiết quá trình của phòng thí nghiệm vẽ bản đồ vùng hồi hải mã trong não chuột. Từ lâu nhiều câu hỏi đã được đặt ra xung quanh giá trị của những tấm bản đồ não này, và cũng là lý do cản trở lĩnh vực toàn não đồ. Một số nhà khoa học nói lĩnh vực này có tầm quan trọng ngang với nghiên cứu bộ gene người và nhiều đột phá trọng đại sẽ diễn ra nếu như bản đồ não hoàn chỉnh được vẽ. Những người khác lại cho rằng các bản đồ này ít giá trị, vì chỉ là hình ảnh tĩnh của một bộ não đứng yên, chứ không phải là cánh cửa mở ra tri thức sâu sắc mới về cách thức vận hành của não bộ.

Mạng lưới nơ-ron từ một lát cắt của vùng hồi hải mã chuột (bên trái) và dữ liệu đã được tăng cường từ 18 kênh mã vạch bit trong một lát cắt hồi hải mã chuột. *Hình ảnh: Jason Henry*

Sebastian Seung, giáo sư ở viện Khoa học Thần kinh, đại học Princeton, người đã đóng góp lớn cho dự án não ruồi giấm, nói cộng đồng khoa học đang đạt được nhất trí cao hơn về giá trị của toàn não đồ. “Ta phải đạt tới điểm mà toàn não đồ trở thành điều quan trọng rõ ràng với sức khỏe và bệnh tật,” ông nói. “Nghiên cứu bộ gene từng là như vậy. Tôi nghĩ chúng tôi đang ở gần điểm đó rồi.”

Seung dự kiến công nghệ AI sẽ còn phát triển và chi phí vẽ não bộ sẽ còn giảm xuống. Lấy ví dụ, AI có thể tự nó giải quyết được vấn đề đọc dò bản đồ não. Ông cũng nói các kỹ thuật vẽ bản đồ não mới đang được phát triển ở viện Khoa học Công nghệ Áo và công ty Panluminate (trụ sở ở New Haven), chứ không chỉ ở E11.

Adam Marblestone, nhà đồng sáng lập và CEO của Convergent Research, thấy E11 hấp dẫn chính vì những nghi ngờ về khả năng tiếp tục đạt được tiến bộ của lĩnh vực toàn não đồ. Tương ứng, FRO cũng là ý tưởng về chấp nhận rủi ro trong những lĩnh vực còn nhiều hoài nghi nên không nhiều tổ chức dám theo đuổi. “Hiện đã có nhiều nỗ lực khác nhau, và khả năng sẽ có nhiều hơn với các công nghệ sẵn có để cải thiện và hướng tới não chuột hoàn chỉnh,” Marblestone nói. “Nhưng không thực sự có tấm séc nào được viết vì nhiều người vẫn thắc mắc liệu công tác đọc dò có tốn hàng tỉ đô la hay không. Toàn bộ điều này phụ thuộc vào việc cắt giảm đáng kể chi phí.”

Đọc nhiều

30 doanh nghiệp trong nước đáng theo dõi năm 2025

iKame đưa game Việt ra thế giới bằng công thức mới

Thuế quan của Trump: Hỗn loạn ở một hãng giao nhận

Techcombank đặt mục tiêu tăng trưởng tín dụng 16,4%, tiếp tục hướng tới nhóm đối tượng thu nhập khá

VPBank đặt mục tiêu tăng trưởng tín dụng 25%, nợ xấu xuống dưới 3% năm 2025

Thuế quan của Trump giáng đòn mạnh vào ngành sản xuất châu Á

Những bộ pin khổng lồ đang thay đổi lưới điện toàn cầu

Không dễ cứu thị trường bất động sản Trung Quốc

Mỹ và Trung Quốc nối lại đàm phán thương mại giữa căng thẳng thuế quan

Câu chuyện đầu tư của ba thế hệ

Lý do khó đo lường tác động của AI đối với năng suất lao động

Muốn đi xa, hãy đi cùng nhau

Khi EVN hai vai, hai gánh

Hai nỗi lo của hàng xuất khẩu sang Mỹ

Cơn sốt matcha toàn cầu khiến Nhật Bản rơi vào tình trạng thiếu hụt

Theo phattrienxanh.baotainguyenmoitruong.vn

https://phattrienxanh.baotainguyenmoitruong.vn/dung-virus-ve-ban-do-nao-52731.html