Từ loài tảo tìm ánh sáng đến "công tắc" của tế bào thần kinh

Câu chuyện bắt đầu với Chlamydomonas reinhardtii, một loài tảo xanh đơn bào có khả năng định hướng chuyển động theo ánh sáng. Khi nghiên cứu cách sinh vật này cảm nhận ánh sáng, Peter Hegemann và Georg Nagel cùng các cộng sự phát hiện những protein có khả năng biến ánh sáng thành tín hiệu điện.

Năm 2002, nhóm nghiên cứu công bố trên Science phát hiện channelrhodopsin-1 (ChR1), một protein tạo ra dòng ion khi được chiếu sáng. Các thí nghiệm trên tế bào trứng ếch cho thấy ChR1 hoạt động như một kênh cho proton đi qua dưới tác động của ánh sáng.

Một năm sau, nhóm tiếp tục xác định chức năng của channelrhodopsin-2 (ChR2). Công trình trên Proceedings of the National Academy of Sciences cho thấy ChR2 là một kênh ion được đóng, mở trực tiếp bằng ánh sáng. Khi hấp thụ ánh sáng, kênh mở nhanh và cho các ion đi qua màng tế bào, làm thay đổi điện thế của tế bào.

Đặc tính này lập tức mở ra một khả năng vượt xa việc giải thích cách tảo cảm nhận ánh sáng: Nếu đưa gene tạo ChR2 vào một tế bào khác, tế bào đó có thể trở nên nhạy với ánh sáng.

Karl Deisseroth, bác sĩ tâm thần và nhà thần kinh học tại Đại học Stanford, cùng các cộng sự đã đưa ý tưởng này vào nghiên cứu tế bào thần kinh. Năm 2005, nhóm của Deisseroth, Edward Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg và Georg Nagel chứng minh có thể sử dụng ChR2 để điều khiển xung điện của neuron với độ chính xác ở thang mili giây, đồng thời kiểm soát quá trình truyền tín hiệu qua synapse.

Từ đây, ánh sáng không chỉ được dùng để quan sát hoạt động của hệ thần kinh mà trở thành công cụ để chủ động điều khiển những tế bào thần kinh được lựa chọn. Sự kết hợp giữa protein nhạy sáng, phương pháp xác định loại tế bào và kỹ thuật đưa ánh sáng vào mô sống đã hình thành nền tảng của optogenetics.

Khi "bật, tắt" neuron giúp kiểm tra nguyên nhân

Điểm quan trọng nhất của optogenetics không nằm ở việc tạo ra một cách kích thích neuron mới, mà ở khả năng giúp các nhà khoa học kiểm tra một neuron hoặc nhóm neuron có thực sự gây ra một chức năng hay hành vi hay không.

Trước đó, các nhà nghiên cứu có thể quan sát một nhóm neuron hoạt động khi động vật ngủ, thức, di chuyển hoặc thực hiện một hành vi. Nhưng việc hai hiện tượng xảy ra đồng thời chưa đủ để chứng minh cái này gây ra cái kia.

Optogenetics đưa nghiên cứu từ quan sát sang can thiệp. Nhà khoa học có thể kích hoạt hoặc ức chế nhóm neuron được xác định bằng di truyền, sau đó theo dõi sự thay đổi về hoạt động của não hoặc hành vi. Nature đánh giá khả năng kiểm soát chính xác các tế bào thần kinh bằng ánh sáng đã tạo ra một công cụ để kiểm tra quan hệ nhân - quả trong nghiên cứu não.

Một thí nghiệm công bố trên Nature năm 2007 cho thấy rõ giá trị này. Nhóm nghiên cứu có Karl Deisseroth tham gia đưa ChR2 vào các neuron sản xuất hypocretin, còn gọi là orexin, ở vùng dưới đồi của chuột. Các nhà khoa học sau đó sử dụng sợi quang để chiếu ánh sáng vào khu vực này khi chuột đang tự do di chuyển.

Khi kích thích những neuron này bằng ánh sáng, khả năng chuột chuyển từ trạng thái ngủ sang thức tăng lên. Các chuỗi xung ánh sáng ở tần số 5-30 Hz làm giảm thời gian chuyển sang trạng thái thức, trong khi kích thích ở 1 Hz không tạo ra hiệu ứng tương tự. Kết quả cho thấy hoạt động của nhóm neuron hypocretin có vai trò nhân quả trong quá trình chuyển từ ngủ sang thức.

Nói cách khác, các nhà khoa học không chỉ nhìn thấy những neuron này hoạt động khi con vật thức dậy. Họ chủ động kích hoạt chúng và quan sát con vật thức dậy.

Đây là bước chuyển quan trọng của optogenetics: Từ câu hỏi "neuron nào hoạt động khi một hành vi xảy ra?" sang câu hỏi "điều gì xảy ra nếu chúng ta chủ động bật hoặc tắt chính những neuron đó?".

Từ "công tắc" trong phòng thí nghiệm đến hướng điều trị

Optogenetics sau đó phát triển thành một hệ công cụ đa dạng, được sử dụng để nghiên cứu các mạch thần kinh liên quan đến vận động, trí nhớ, cảm xúc, giấc ngủ và hành vi. Khả năng tác động chính xác vào những nhóm tế bào được xác định bằng di truyền giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu cách từng mạch thần kinh tham gia vào hoạt động bình thường cũng như các rối loạn của não.

Công nghệ này cũng mở ra các hướng nghiên cứu y sinh. Các nhà khoa học đang nghiên cứu việc sử dụng optogenetics để tác động lên tế bào thần kinh trong võng mạc và hỗ trợ khôi phục một phần thị lực ở người bị suy giảm thị lực. Tuy nhiên, những nghiên cứu và thử nghiệm này chưa đồng nghĩa optogenetics đã trở thành một phương pháp điều trị phổ biến.

Từ phát hiện protein nhạy sáng ở loài tảo đơn bào năm 2002 đến Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học 2026 là 24 năm phát triển liên tục. Trong chặng đường đó, phát hiện ban đầu của Peter Hegemann và Georg Nagel được nối tiếp bằng những nghiên cứu đưa protein nhạy sáng vào tế bào thần kinh và phát triển thành công cụ điều khiển hoạt động của neuron do Karl Deisseroth cùng các cộng sự thực hiện.

Giải Nobel 2026 vì thế không chỉ ghi nhận một phát hiện đơn lẻ, mà ghi nhận cả một chuỗi nghiên cứu nối từ sinh học cơ bản ở tảo đến công nghệ kiểm soát tế bào thần kinh. Ba nhà khoa học đã góp phần biến một cơ chế giúp sinh vật đơn bào cảm nhận ánh sáng thành công cụ cho phép các nhà nghiên cứu bật, tắt những tế bào thần kinh được lựa chọn và kiểm tra vai trò của chúng trong ký ức, cảm xúc, hành vi và các chức năng của não.

Sau 24 năm, từ việc phát hiện các protein nhạy sáng ở tảo đơn bào, nghiên cứu đã mở ra một phương pháp cho phép các nhà khoa học chủ động bật hoặc tắt những nhóm neuron được lựa chọn để kiểm tra vai trò của chúng đối với hoạt động và hành vi. Khả năng can thiệp trực tiếp thay vì chỉ quan sát đã đưa quang di truyền học trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu thần kinh. Đây cũng là nền tảng cho quyết định trao Giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học 2026 cho Karl Deisseroth, Peter Hegemann và Georg Nagel.