Các nhà khoa học đã tạo ra một bước đột phá đáng kể trong nhiệm vụ tìm hiểu các quá trình phức tạp xảy ra trong não trong các cơn co giật vốn là triệu chứng chính của bệnh động kinh.

Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Exeter đã nghiên cứu cơ chế đằng sau các mô hình hoạt động điện đặc biệt của các nhóm tế bào thần kinh trong não đi kèm với sự khởi đầu của các cơn động kinh.

Trong những bộ não khỏe mạnh, mạng lưới các tế bào thần kinh di chuyển qua các trạng thái của hành vi tương tự – được gọi là đồng bộ hóa – và hành vi khác nhau, được gọi là không đồng bộ hóa. Các quá trình này cũng liên quan đến cả trí nhớ và sự chú ý.

Tuy nhiên, ở não bị rối loạn thần kinh, chẳng hạn như động kinh, sự đồng bộ hóa này có thể phát triển đến mức gần như nguy hiểm, khi một tập hợp các tế bào não bắt đầu phát ra điện dư thừa.

Trong một loạt các nghiên cứu mới, được công bố gần đây trên PLoS Computational Biology và SIAM Journal on Applied Dynamical Systems, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cách tiếp cận mô hình toán học phức tạp để khám phá sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các nhóm nơ-ron, dẫn đến chuyển đổi trong sự thay đổi đồng bộ hóa.

Jennifer Creaser, đồng tác giả của nghiên cứu và từ Đại học Exeter cho biết: “Đồng bộ hóa được cho là quan trọng đối với việc xử lý thông tin. Nhưng đồng bộ hóa quá nhiều – chẳng hạn như những gì xảy ra trong cơn động kinh hoặc bệnh Parkinson – có liên quan đến bệnh trạng thái và có thể làm suy giảm chức năng não. ”

Nghiên cứu diễn ra tại Trung tâm Mô hình Dự đoán trong Chăm sóc Sức khỏe của Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật và Vật lý tại Đại học Exeter và Đại học Birmingham, đã sử dụng một phiên bản mở rộng của một mô hình toán học hiện có đại diện cho não như một mạng lưới kết nối nhiều nút của các nhóm nơron.

Mạng mô hình bao gồm các nút ổn định kép, có nghĩa là mỗi nút có thể chuyển đổi giữa hai trạng thái ổn định – nghỉ và động. Các nút này vẫn ở trạng thái hiện tại của chúng cho đến khi chúng nhận được một kích thích tạo cho chúng ‘cú hích’ thích hợp để thoát sang trạng thái khác.

Kích thích này đến từ cả các nút kết nối khác và dưới dạng “tiếng ồn” – các nguồn bên ngoài của hoạt động thần kinh, chẳng hạn như các phản ứng nội tiết liên quan đến trạng thái cảm xúc hoặc những thay đổi sinh lý do bệnh tật.

Thêm một lượng nhỏ tiếng ồn vào hệ thống khiến mỗi nút chuyển sang trạng thái hoạt động – nhưng cấu trúc hình học của hệ thống khiến việc quay lại trạng thái nghỉ mất nhiều thời gian hơn là rời đi.

Trước đây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng điều này dẫn đến một loạt các cuộc trốn thoát đến trạng thái hoạt động – giống như một dòng dominos rơi xuống – lan truyền hoạt động trên mạng.

Nghiên cứu mới được xây dựng dựa trên ‘hiệu ứng domino’ này để xác định các trường hợp dẫn đến những thay đổi về tính đồng bộ này và điều tra cách loại kết nối trong mạng ảnh hưởng đến hành vi của nó. Nó phát hiện ra rằng, khi mô hình kết hợp biên độ tổng quát hơn và ghép pha, tính đồng bộ của các nút có thể thay đổi giữa các lần thoát liên tiếp trong hiệu ứng domino.

Giáo sư Peter Ashwin, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Mặc dù đây là một nghiên cứu lý thuyết về một mô hình lý tưởng hóa, nhưng nó được truyền cảm hứng từ những thách thức đặt ra khi hiểu được sự chuyển tiếp giữa hoạt động lành mạnh và bệnh lý trong não.”

Giáo sư Krasimira Tsaneva-Atanasova, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết thêm: “Mô hình toán học về sự khởi phát và lan truyền cơn co giật không chỉ có thể giúp phát hiện ra các cơ chế cơ bản phức tạp của cơn co giật mà còn cung cấp một phương tiện cho phép các thí nghiệm silico dự đoán kết quả thao tác các hệ thống thần kinh”

Nguồn: dailyscience