Tã giấy trẻ em gợi ra một phương pháp mới để nghiên cứu bộ não

Nhà kỹ sư thần kinh học Ed Boyden muốn biết cách thức những phân tử sinh học bé tí trong não tạo ra những cảm xúc, suy nghĩ và cảm giác - và ông ta muốn tìm ra những thay đổi phân tử sẽ giúp khắc phục những rối loạn như động kinh và Alzheimer. Thay vì phóng đại những cấu trúc quá nhỏ bằng kính hiển vi, ông ta nghĩ: Cái gì sẽ xảy ra nếu chúng ta làm phình to các cấu trúc này lên và làm cho chúng trở nên thấy được?
Việc học theo cách các phân tử polymer được dùng trong tã giấy em bé hút nước có thể tìm ra chìa khóa để hiểu não của chúng ta nhiều hơn.

Chào mọi người.

Tôi mang đến một tã giấy.

Bạn sẽ biết tại sao ngay đây thôi.

Tã giấy có độ sạch tuyệt vời.

Chúng có thể thấm hút rất nhiều
khi bạn đổ nước lên,

một thí nghiệm được cả hàng triệu
trẻ làm mỗi ngày.

(Cười)

Nhưng lý do tôi nói về nó ở đây

là chúng được thiết kế
một cách rất thông minh.

Chúng được làm từ chất được gọi là
vật liệu hút chất lỏng.

Nó là một chất liệu đặc biệt mà khi bạn
đổ nước vào,

nó sẽ hút được rất nhiều,

có thể gấp nghìn lần thể tích của nó.

Và đây là một loại polyme công nghiệp
vô cùng hữu dụng.

Nhưng điều nhóm chúng tôi thử làm
tại Viện MIT

là tìm hiểu liệu chúng ta có thể làm gì đó
tương tự cho não người.

Có thể làm nó lớn hơn,

nó đủ lớn để bạn có thể
nhìn vào bên trong

và thấy tất cả những khối
nhỏ xíu, phân tử sinh học,

thấy được cấu trúc không gian 3 chiều
của chúng,

thấy được cấu trúc thực tế của não,
liệu bạn có làm được không?

Nếu chúng ta làm được,

có lẽ chúng ta sẽ hiểu tường tận hơn
về cách thức tổ chức của não

để tiếp cận được suy nghĩ và cảm xúc

và hành động và cảm giác.

Chúng ta thử chỉ ra chính xác
những thay đổi xảy ra trong não

đã gây ra bệnh tật,

những bệnh như Alzheimer, động kinh
và Parkinson,

đó là những bệnh mà ta có quá ít cách
trị liệu, chữa trị,

và chúng ta chưa biết nguyên nhân
hay nguồn gốc

và điều làm cho những bệnh đó xuất hiện.

Nhóm của chúng tôi tại MIT

đang cố gắng có cái nhìn khác

về cách khoa học thần kinh được hình thành
trên một trăm năm qua,

Chúng tôi là nhà thiết kế, nhà phát minh,

Chúng tôi cố gắng tìm ra cách xây dựng
công nghệ

cho phép chúng ta nhìn vào não
và chỉnh sửa.

Lý do là,

não vô cùng, vô cùng phức tạp.

Vậy chúng ta học được từ
thế kỷ đầu của khoa học thần kinh

rằng não là một mạng lưới rất phức tạp,

được làm từ những tế bào chuyên biệt
được gọi là nơ ron

với những hình dạng rất phức tạp,

và dòng điện chạy qua các nơ ron có hình
dạng phức tạp này.

Hơn nữa, nơ ron được kết nối trong
các mạng lưới.

chúng được nối bởi những đầu nối nhỏ
gọi là khớp thần kinh, có trao đổi hóa học

và cho phép các nơ ron liên lạc
được với nhau.

Độ đậm đặc của não thật không tin nổi.

Trong một milimet khối của não,

có khoảng 100.000 nơ ron

và có thể có 1 tỷ kết nối.

Nhưng còn hơn nữa.

Vậy, nếu bạn có thể phóng to một nơ ron,

thì đó chỉ là một cách diễn đạt
theo nghệ thuật.

Điều bạn thấy là hàng nghìn, hàng nghìn
loại phân tử sinh học,

đó là những bộ máy siêu vi được làm theo
mô hình 3D phức tạp,

và cùng với nhau chúng điều tiết những
xung điện,

và những trao đổi hóa học để cho phép
các nơ ron liên lạc với nhau

để tạo ra những thứ như suy nghĩ,
cảm xúc và vân vân.

Bây giờ chúng ta vẫn chưa biết cách thức
các nơ ron trong não được sắp xếp

để hình thành các mạng lưới,

và ta cũng không biết cách các phân tử
sinh học được tổ chức

bên trong các nơ ron

để hình thành các bộ máy
có tổ chức và phức tạp.

Nếu ta thật sự muốn hiểu điều này,

ta cần có những công nghệ mới.

Nhưng nếu ta có thể có được
những bản đồ thế này,

nếu ta nhìn được tổ chức
của phân tử và nơ ron

và mạng lưới nơ ron,

có thể ta hiểu được
cách thức bộ não quản lý thông tin

từ những vùng giác quan,

kết hợp với xúc giác và cảm giác,

và tạo ra các quyết định và hành động
của ta.

Chúng ta có thể chỉ ra hình thức chính xác
của các thay đổi phân tử xảy ra

trong sự phức tạp của não.

Mỗi lần ta biết cách những
phân tử này thay đổi,

thì chúng đã tăng số lượng và thay đổi
nguyên mẫu,

ta có thể dùng những thay đổi này
như là mục tiêu của thuốc chữa mới,

cho cách thức mới để phân phối năng lượng
trong não

để chỉnh lại những thao tác trong não
bị sai lệch

của bệnh nhân đang chịu
những rối loạn não.

Chúng ta thấy xuất hiện nhiều công
nghệ mới ở thế kỷ qua

để đương đầu với khó khăn đó.

Tôi nghĩ tất cả chúng ta đã
thấy hình scan của não

được chụp bằng máy MRI.

Đương nhiên, những máy này có lợi thế
to lớn là chúng không tác hại đến não,

chúng có thể dùng trên đối
tượng người sống.

Nhưng chúng cũng còn rất thô.

Mỗi vệt mà bạn thấy, nhiều người
gọi là những hình khối,

có thể chứa hàng triệu nơ ron.

Vậy nếu nó không đạt được mức độ
phân giải

ở đó nó có thể xác định được vị trí
phân tử đang thay đổi

hay những thay đổi trong hệ thống
của những mạng lưới này

đang đóng góp vào khả năng của chúng ta
về nhận thức và sức mạnh con người.

Ở thái cực khác, bạn có kính hiển vi.

Đương nhiên kính hiển vi sẽ dùng ánh sáng
để nhìn vào những vật vô cùng nhỏ.

Trong nhiều thế kỷ, chúng được dùng
để nhìn những thứ như vi khuẩn.

Đối với khoa học thần kinh,

kính hiển vi là cách khám phá
ra nơ ron đầu tiên,

cách đây khoảng 130 năm.

Nhưng về cơ bản, ánh sáng bị hạn chế.

Chúng ta không thể thấy phân tử dạng
đơn lập với một kính hiển vi cũ kỹ.

Bạn không thể nhìn những
kết nối bé xíu này.

Vậy nếu chúng ta muốn tăng khả
năng quan sát bộ não,

để tiếp cận được cấu trúc thực địa,

chúng ta cần có công nghệ tốt hơn nữa.

Cách đây vài năm, nhóm của tôi nghĩ:

Tại sao chúng ta không làm ngược lại?

Nếu nó quá rối rắm không thể
phóng to bộ não,

tại sao chúng ta không làm cho bộ
não to lên?

Ý tưởng đó bắt đầu

với 2 sinh viên tốt nghiệp trong nhóm
tôi, Fei Chen và Paul Tillberg.

Bây giờ nhiều sinh viên khác trong nhóm
đang tham gia giúp chương trình này.

Chúng tôi quyết định tìm hiểu
liệu có thể dùng chất tổng hợp,

như chất trong tã giấy trẻ em,

và cài đặt nó trong não.

Nếu ta có thể làm điều đó chính xác,
và bạn thêm nước vào,

bạn có thể thổi phình to bộ não lên

để ở đó bạn có thể phân biệt
những phân tử sinh học với nhau.

Bạn sẽ thấy những kết nối và có được
bản đồ não.

Điều đó vô cùng khó khăn.

Chúng tôi mang hình mẫu đến đây.

Chúng tôi có chất liệu tinh khiết
làm tã giấy trẻ em.

Mua qua mạng thì dễ hơn

là tự làm, thực ra thì chất đó
có trong những cái tã giấy này.

Tôi đặt cái muỗng nhỏ ở đây

trong chất tổng hợp tinh khiết này.

Và ở đây chúng ta có nước.

Điều chúng ta sẽ làm

là quan sát xem liệu chiếc muỗng
trong chất liệu tã trẻ em

có thể tăng kích thước.

Bạn sẽ thấy nó tăng kích thước
khoảng 1000 lần

ngay trước mắt bạn.

Tôi có thể đổ nhiều nước vào,

nhưng tôi nghĩ bạn đã thấy rồi

đó là một phân tử rất thú vị,

và nếu có thể dùng nó đúng đắn,

chúng ta có thể phóng to
phần bên trong bộ não

theo cách mà bạn không thể
làm với những công nghệ trong quá khứ.

Vậy, cần một ít hóa chất.

Cái gì sẽ xảy ra trong chất
tổng hợp làm tã giấy trẻ em?

Nếu bạn có thể phóng to nó,

nó phải giống như cái bạn
thấy trên màn hình đây.

Chất tổng hợp là chuỗi các nguyên tử
được xếp dài theo những đường mỏng.

Những chuỗi này rất nhỏ,

khoảng bằng độ rộng của một
phân tử sinh học,

và những chất tổng hợp này rất đậm đặc.

Chúng cách xa nhau bằng

kích thước của một
phân tử sinh học.

Thật tuyệt vời

vì chúng ta có thể di chuyển
mọi thứ riêng biệt trong bộ não.

Nếu ta thêm nước vào, điều xảy ra là

chất có thể phồng lên này sẽ hút nước,

chuỗi polymer sẽ di chuyển riêng biệt
giữa chúng,

và toàn bộ chất này sẽ phồng to lên.

Và bởi vì những chuỗi này quá nhỏ

và cách nhau chỉ bằng một
phân tử sinh học,

nên chúng ta có thể đưa vào não

và làm cho nó đủ lớn để xem.

Thậy là bí ẩn, rồi sau đó:

Làm sao để tạo những chuỗi polymer
trong não

khi chúng ta cũng có thể di chuyển
các phân tử sinh học riêng biệt?

Nếu chúng ta có thể làm điều đó,

chúng ta có thể có được bản đồ thực
địa của não.

Chúng ta có thể nhìn rõ cả
hệ thống trong não.

Chúng ta có thể nhìn vào trong
và thấy những phân tử trong đó.

Để minh họa, chúng tôi
làm vài đoạn hoạt hình,

theo cách vẽ không gian 3 chiều,
chúng tôi nhìn thấy

cái mà các phân tử sinh học thể hiện
và cách mà chúng ta tách chúng ra.

Bước 1: điều mà ta cần làm trước hết là

gắng mỗi phân tử sinh học,
chúng có màu vàng ở đây,

với 1 cái định vị, một cái móc kết nối.

Chúng ta cần kéo những phân tử
của não rời nhau ra,

và để làm điều đó, chúng ta cần có một
cái tay cầm nhỏ

cho phép những phân tử polymer này
kết với chúng

và cho phép dùng lực kéo của chúng.

Bây giờ, nếu bạn chỉ lấy chất tổng hợp
trong tã giấy và đưa vào trong não,

đương nhiên, nó sẽ ở trên.

Vậy chúng ta cần tìm ra một cách
để đưa các phân tử polymer vào trong.

Và đây là nơi chúng ta gặp may.

Hóa ra, bạn có thể
làm được những khối,

được gọi là phân tử đơn hợp,

và nếu bạn cho chúng vào não

và kích hoạt các phản ứng hóa học,

bạn có thể làm cho chúng hình thành
những chuỗi dài này,

ngay trong mô não.

Chúng sẽ uốn quanh những
phân tử sinh học

và xen giữa chúng,

hình thành những mạng lưới
phức tạp này

cho phép bạn kéo những phân tử

ra xa nhau.

Một khi mỗi tay cầm nhỏ này được
cuốn xung quanh,

chất polimer sẽ nối tay cầm,
và đó là cái ta cần

để kéo các phân tử rời nhau ra.

Đây là giây phút chờ đợi.

Chúng ta cần phân tích mẫu này

với một chất hóa học để kéo giãn tất
cả những phân tử ra khỏi nhau,

và khi chúng ta thêm nước vào,

chất có thể phồng lên này sẽ
hút nước,

chuỗi polymer sẽ căng ra,

nhưng các phân tử sinh học sẽ
tách ra xa nhau.

Và rất giống với hình vẽ
trên quả bong bóng,

rồi bạn thổi bong bóng đó lớn lên,

hình vẽ đó cũng giống như vậy,

các phân tử của mực vẽ đã
tách xa nhau.

Đó là điều chúng tôi đã có thể làm
bây giờ, nhưng trong không gian 3 chiều.

Còn cái này nữa.

Như bạn thấy đấy,

chúng tôi đã dùng màu đánh dấu tất
cả những phân tử sinh học thành màu nâu.

Đó là bởi vì chúng giống nhau.

Phân tử sinh học được làm từ
những nguyên tử giống nhau,

nhưng theo trật tự khác nhau.

Vậy chúng ta cần một thứ sau cùng

để có thể nhìn thấy chúng.

Chúng tôi phải mang đánh dấu chúng,

với thuốc nhuộm sáng
để phân biệt.

Vậy một loại phân tử sinh học
có thể có màu xanh.

Một loại phân tử sinh học khác
có màu đỏ.

Và cứ thế tiếp tục.

Đó là bước cuối.

Bây giờ chúng ta dường như có thể nhìn
một bộ não

và nhìn từng phân tử riêng biệt,

vì chúng ta đã đẩy chúng ra xa nhau đủ để

chúng ta có thể phân biệt chúng.

Vậy hy vọng ở đây là ta có thể
làm cái không thấy thành cái thấy được.

Chúng ta có thể biến đổi những thứ nhỏ
và không rõ

và làm chúng phình to ra

cho tới khi chúng trở thành
những điểm chứa thông tin về sự sống.

Đây là một video
giống như vậy.

Chúng ta có ở đây một não nhỏ trong
một cái đĩa --

đó là một mẩu của nhỏ của não.

Chúng ta cho polymer vào,

và chúng ta thêm nước vào.

Điều bạn sẽ thấy là,
ngay trước mắt bạn --

video này được tăng tốc khoảng 60 lần --

miếng mô não này đang lớn dần lên.

Nó có thể tăng độ lớn lên 100 lần
hay còn nhiều hơn nữa.

Và phần hay nhất là, vì những phân tử
polymer rất nhỏ,

chúng ta đang tách những phân tử
sinh học ra.

Đó là một sự dàn trải trơn tru.

Chúng ta không làm biến dạng thông tin.

Chúng ta chỉ làm cho chúng trở nên
dễ quan sát mà thôi.

Vậy chúng ta có thể lấy được mạch điện
trong não --

đây là một mẩu của não
ví dụ có chứa trong đó trí nhớ --

và chúng ta phóng to lên.

Chúng ta có thể bắt đầu thấy cách
các mạch điện hình thành.

Có thể ngày nào đó chúng ta sẽ đọc được
trí nhớ.

Có thể chúng ta sẽ thấy được cách hình
thành các mạch điện

để tạo ra được cảm xúc,

cách tổ chức mạng lưới não

để làm cho chúng ta trở thành
chính chúng ta.

Và đương nhiên, hy vọng chúng ta có
thể thấy rõ

các vấn đề trong não ở mức độ phân tử.

Sẽ thế nào nếu chúng ta có thể nhìn
vào phân tử trong não

và chỉ ra đây là 17 phân tử bị biến thái

trong mô não đang bị động kinh

hay bị thay đổi do bệnh Parkinson

hoặc bị bệnh gì khác?

Nếu chúng ta có được danh sách
tổng hợp của những trục trặc,

chúng trở thành mục tiêu chữa
trị của chúng ta.

Ta có thể tìm ra thuốc kết
nối những thứ này.

Ta có thể nhắm đến năng lượng
cho những phần khác nhau của não

để có thể giúp mọi người
bệnh Parkinson hay động kinh

hay những điều kiện khác đang ảnh hưởng
đến hàng tỷ người

trên thế giới.

Bây giờ, điều thú vị sắp xảy ra.

Hóa ra trong ngành y sinh học,

có những vấn đề khác mà
sự phồng to lên có thể giải quyết được.

Đây là một mẩu sinh thiết
từ bệnh nhân ung thư vú.

Hóa ra nếu bạn nhìn bệnh ung thư,

nếu bạn nhìn hệ thống miễn dịch,

nếu bạn nhìn sự lão hóa
nếu bạn nhìn sự phát triển --

tất cả những quá trình này đều liên quan
đến những hệ thống sinh học ở quy mô lớn.

Nhưng đương nhiên, vấn đề bắt đầu từ
những phân tử nano nhỏ bé này,

đó là những bộ máy làm cho các tế bào
và cơ quan trong cơ thể ta hoạt động.

Vậy điều chúng ta đang cố gắng làm là
tìm hiểu

liệu ta có thể dùng công nghệ này để vẽ
bản đồ về thành phần cơ bản của sự sống

trong sự đa dạng rộng lớn
của các dạng bệnh tật.

Ta có thể chỉ ra những thay đổi
trong một khối u

mà ta có thể theo dõi một cách thông minh

và dùng những loại thuốc có thể diệt
chính xác những tế bào mà ta muốn không?

Như các bạn biết đấy, nhiều loại thuốc
có nguy cơ tác hại rất cao.

Đôi khi, đó chỉ là những phỏng đoán.

Tôi hy vọng chúng ta có thể biến
một cú phóng đầy rủi ro

thành một hành động an toàn.

Nếu bạn nghĩ về vụ phóng phi
thuyền lên mặt trăng,

ở đó họ đã đáp xuống mặt trăng,

vì nó được thực hiện trên nền tảng
khoa học vững chắc.

Chúng ta hiểu lực hấp dẫn;

chúng ta hiểu khí động học.

Chúng ta biết cách chế tạo tên lửa.

Những nguy hiểm trong khoa học
đã được kiểm soát.

Cũng phải kể đến những thành công
ngành kỹ thuật.

Nhưng trong y khoa, chúng ta không
có những luật cần thiết.

Chúng ta có tất cả các luật
tương tự như luật hấp dẫn,

như khí động học chưa?

Tôi nghĩ với công nghệ

như tôi đang nói đến hôm nay,

thật sự chúng ta có thể làm được những
việc này.

Chúng ta có thể vẽ bản đồ những
phần tử cấu tạo nên hệ thống cơ thể sống,

và tìm ra cách chữa trị bệnh tật
làm ta đau khổ.

Bạn biết không, vợ tôi và tôi
có 2 đứa trẻ,

hy vọng một đứa sẽ làm kỹ sư sinh học
để làm cho cuộc sống tốt hơn

là so với cuộc sống hiện
tại của chúng tôi.

Tôi hy vọng nếu chúng tôi có thể
biến sinh học và y khoa

từ những thử nghiệm có nhiều rủi ro
thành những cơ hội và may mắn,

và biến chúng thành những thành công
nhờ vào kỹ năng và sự làm việc chăm chỉ,

và thế giới sẽ tiến bộ vượt bậc.

Cảm ơn nhiều.

(Vỗ tay)