Khả năng của ruồi để duy trì chuyến bay trong thời gian dài được thúc đẩy bởi sự gia tăng canxi trong các tế bào thần kinh chọn lọc của não tạo ra chất truyền tin hóa học ‘hạnh phúc’, dopamine. Credit: Anamika Sharma

“Chuyến đi vạn dặm bắt đầu tư một bước chân” là một câu ngạn ngữ phổ biến nói về lực đẩy ban đầu cần thiết để bắt tay. Tuy nhiên, một khi đã bắt đầu, làm thế nào để chúng ta kiên trì với công việc và không để nó đổ vỡ? Làm thế nào để chúng ta luôn có động lực?

Chà, đây không chỉ là những cuộc thảo luận mang tính triết học, mà còn là những dự án khoa học hấp dẫn dành cho những người đam mê khoa học thần kinh. Trên thực tế, các nhà khoa học đã chú ý đến các tế bào thần kinh và phân tử đóng vai trò gốc rễ của động lực chi phối.

Dưới đây là một câu chuyện nghiên cứu từ loài ruồi giấm hào phóng xác định bộ máy đằng sau hành trình bay không ngừng của loài ruồi này.

Nhóm của Giáo sư Gaiti Hasan, trong một nghiên cứu gần đây, đã phát hiện ra rằng khả năng duy trì chuyến bay trong thời gian dài của ruồi được thúc đẩy bởi sự gia tăng canxi trong các tế bào thần kinh chọn lọc của não tạo ra chất truyền tin hóa học ‘hạnh phúc’, dopamine. Đi đầu trong hoạt động của tế bào thần kinh này là một protein kênh canxi quý giá được gọi là thụ thể IP3 (IP3R) điều phối quá trình thải canxi trong các tế bào thần kinh dopaminergic này. Điều thú vị là họ phát hiện ra rằng ngoài việc điều chỉnh các chuyến bay dài, cùng một nhóm tế bào thần kinh và phân tử thúc đẩy ruồi đói tích cực tìm kiếm thức ăn. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc có một bộ khung tế bào thần kinh duy nhất để điều chỉnh cả hai hành vi quan trọng này có thể giúp con ruồi di chuyển những khoảng cách xa hơn để tìm kiếm thức ăn.

“Bay là một hành vi bẩm sinh của ruồi. Mặc dù mạch tế bào thần kinh mà các phi công thực hiện hành vi bay rất khó kết nối, nhưng ở đây chúng tôi cho thấy rằng nó vẫn cần được điều chỉnh bởi canxi tế bào — đặc biệt là canxi được huy động bởi IP3R. Việc điều chế như vậy đảm bảo rằng Gaiti, người có phòng thí nghiệm đã làm việc với IP3R của ruồi được vài năm nay giải thích.

IP3R được đặt trong đường cao tốc công nghiệp của tế bào — mạng lưới nội chất. Nó chuyển các thông điệp ngoại bào thành các phản ứng nội bào bằng cách mở các cánh cổng canxi. Những gai canxi này xoay chuyển các tế bào thần kinh từ trạng thái im lặng sang trạng thái hoạt động, từ đó thúc đẩy hành vi.

Ở ruồi, hành vi nổi bật nhất được IP3R quy định là duy trì chuyến bay. Điều này mang đến một cơ hội tốt đẹp để khám phá sinh học đằng sau chuyến bay bền bỉ — một hành vi vận động có thể đòi hỏi động lực. Vì vậy, các nhà nghiên cứu quyết định theo dõi các tế bào yêu cầu chức năng IP3R cho chuyến bay và tìm hiểu cách chúng thực hiện.

Để theo đuổi những câu trả lời này, Anamika (nghiên cứu sinh và tác giả chính) đã thiết kế một phiên bản yếu kém về chức năng của thụ thể IP3 (IP3RDN) có thể ghi đè hoạt động của bản sao thông thường (IP3R). Khi được đưa vào tế bào thần kinh của ruồi, biến thể di truyền của protein này làm giảm phản ứng canxi một cách rõ rệt. Ở cấp độ hành vi, khi IP3RDN chỉ được biểu hiện trong một vài tế bào thần kinh của não ruồi, ruồi gặp phải bất lợi lớn khi bay; thời gian bay của chúng giảm mạnh chỉ bằng 1/3 so với các anh chị em loại hoang dã không có IP3RDN.

Dấu hiệu tế bào thần kinh này là gì?

Chà, bằng cách khai thác một loạt các công cụ di truyền có sẵn ở ruồi, Anamika phát hiện ra rằng 2 cặp tế bào thần kinh sản xuất dopamine đang điều khiển chuyến bay liên tục như vậy — đó chỉ là 4 tế bào thần kinh trong số hơn 25.000 tế bào thần kinh trong não ruồi!

Sau khi giải được phần ‘ở đâu’ của câu đố, nhóm tiếp tục đưa ra ‘làm thế nào’. Để giải quyết vấn đề này, Anamika đã sử dụng kỹ thuật hình ảnh sử dụng cảm biến protein để phản ánh hoạt động của tế bào thần kinh. Cô nhận thấy rằng nhờ vai trò trung tâm của nó đối với canxi. truyền tín hiệu, IP3R cũng nắm giữ dây cương giải phóng chất dẫn truyền thần kinh — một nhãn hiệu của sự kích hoạt và giao tiếp tế bào thần kinh.

Nhưng đây là một bước ngoặt tốt đẹp của câu chuyện.

“Trong thời gian chúng tôi phát hiện ra tập hợp các tế bào thần kinh điều chỉnh hoạt động bay thông qua thụ thể IP3, a nghiên cứu được đưa ra cho thấy rằng những tế bào thần kinh tương tự này cần thiết cho hành vi tìm kiếm thức ăn ở ruồi bị bỏ đói. Nhưng liệu IP3R trong các tế bào thần kinh này có kiểm soát hành vi tìm kiếm thức ăn không? “, Anamika hỏi.

Để tìm hiểu, cô đã bắt những con ruồi biểu hiện IP3RDN trong tế bào thần kinh dopaminergic điều hòa chuyến bay và bỏ đói chúng trong vài giờ. Sau đó, cô cho chúng vào một buồng chứa một giọt thức ăn yêu thích của chúng và theo dõi chúng thật kỹ. Nhưng những con ruồi đói này không tỏ ra hăng hái kiếm thức ăn, xác nhận rằng IP3R cũng đang kiểm soát hành vi tìm kiếm thức ăn.

Vậy, kênh canxi này ảnh hưởng như thế nào đến hành vi kiếm ăn?

” IP3R hoạt động giống như một bộ điều biến – tăng hoặc giảm canxi trong các tế bào thần kinh dopamine chọn lọc. Điều này phụ thuộc vào việc tích hợp các tín hiệu thức ăn từ môi trường và trạng thái trao đổi chất bên trong của ruồi “, Gaiti giải thích.

Do đó, một mạch tế bào thần kinh đơn lẻ phụ thuộc vào protein IP3R và giải phóng dopamine, cung cấp năng lượng cho các chuyến bay dài và thúc đẩy ruồi kiếm thức ăn. Đó là một cách đánh cờ hiệu quả – giống như giết hai con chim bằng một viên đá, bạn có nghĩ vậy không?

Nguồn: medicalxpress