Mạng lưới giao tiếp trong não bộ con người

Não là bộ phận vô cùng quan trọng trong cơ thể, có khoảng 100 tỷ tế bào nơ-ron thần kinh trong não tham gia vào việc điều khiển các chức năng của các cơ quan, bộ phận trong cơ thể. Với số lượng tế bào nhiều như vậy thì não bộ giao tiếp thế nào và các tín hiệu thần kinh được truyền đi như thế nào?

Tế bào thần kinh trong não giao tiếp thông qua sự kết hợp của các tín hiệu điện và hóa học. Trong tế bào thần kinh, các tín hiệu điện do các hạt tích điện điều khiển cho phép dẫn truyền nhanh chóng từ đầu này sang đầu kia của tế bào.

Giao tiếp giữa các tế bào thần kinh xảy ra tại những khoảng trống nhỏ gọi là khớp thần kinh. Tại đây có các bộ phận chuyên biệt của hai tế bào (tức là tế bào thần kinh trước synap và sau synap) chỉ cách nhau nanomet để cho phép truyền hóa chất.

Tế bào thần kinh trước synap giải phóng một chất hóa học - chất dẫn truyền thần kinh. Tế bào thần kinh sau synap có protein chuyên biệt được gọi là các thụ thể dẫn truyền thần kinh sẽ tiếp nhận các chất dẫn truyền thần kinh trên. Các phân tử dẫn truyền thần kinh liên kết với các protein thụ thể và làm thay đổi chức năng tế bào thần kinh sau synap.

Hai loại thụ thể dẫn truyền thần kinh cùng tồn tại đó là các kênh ion, cho phép dòng ion nhanh chóng trực tiếp đi qua màng tế bào ra bên ngoài, và các thụ thể kết hợp với protein G, thiết lập các sự kiện truyền tín hiệu hóa học chuyển động trong tế bào.

Có đến hàng trăm phân tử được biết là hoạt động như chất dẫn truyền thần kinh trong não. Sự phát triển và chức năng của tế bào thần kinh cũng bị ảnh hưởng bởi các peptide được gọi là neurotrophin và bởi các hormone steroid.

Tế bào nơ-ron thần kinh là các tế bào trong não có nhiệm vụ truyền đạt thông tin nhanh chóng. Các tế bào thần kinh được cấu tạo đặc biệt giúp cho chúng có những đặc tính cho phép chúng thực hiện vai trò duy nhất của mình trong hệ thần kinh.

Hình dạng của nơ-ron là một trong những đặc điểm độc đáo như vậy. Ngoài thân tế bào, hay soma, giống như của các tế bào khác, tế bào thần kinh có các nhánh mỏng chuyên biệt được gọi là đuôi gai và sợi trục. Tế bào thần kinh nhận đầu vào hóa học từ các tế bào thần kinh khác thông qua đuôi gai và truyền thông tin đến các tế bào khác thông qua sợi trục.

Tế bào thần kinh cũng là những tế bào “dễ bị kích thích”. Bề mặt màng tế bào thần kinh chứa rất nhiều protein được gọi là kênh ion cho phép các nguyên tử tích điện nhỏ đi qua từ bên này sang bên kia của màng. Một số kênh này được mở ra khi điện thế qua màng tế bào thay đổi. Một loại con của các kênh “đo điện thế” này cho phép tế bào thần kinh tạo ra một tín hiệu nhanh chóng được gọi là “điện thế hoạt động”, đây là dạng dẫn truyền tín hiệu điện nội bào nhanh nhất trong sinh học.

Các tế bào thần kinh riêng lẻ thường bị ngăn cách hoàn toàn với nhau bởi màng tế bào bên ngoài, do đó, không thể chia sẻ trực tiếp các tín hiệu điện hoặc hóa học. Việc truyền tín hiệu chỉ được thực hiện tại khớp thần kinh điện, trong đó các đường dẫn ion được tạo ra từ các protein được gọi là liên kết kết nối các ngăn nội bào của các tế bào thần kinh lân cận, cho phép dòng ion trực tiếp từ tế bào này sang tế bào khác. Hình thức giao tiếp giữa các dây thần kinh này ít phổ biến hơn ở hệ thần kinh trung ương so với truyền hóa chất.

Giao tiếp trong não bộ con người chủ yếu là giao tiếp hóa học giữa các tế bào thần kinh liên quan đến việc giải phóng chất dẫn truyền thần kinh từ một tế bào thần kinh, làm thay đổi hoạt động của tế bào thần kinh tiếp nhận. Giao tiếp hóa học này thường xảy ra tại một cấu trúc chuyên biệt được gọi là khớp thần kinh, nơi các phần của hai tế bào được cách nhau trong từ 20 đến 50 nanomet.

Tế bào thần kinh giải phóng chất hóa học được gọi là tế bào thần kinh trước synap. Một cấu trúc đặc biệt ở đầu sợi trục của tế bào thần kinh trước synap, được gọi là phần cuối sợi trục, chứa các gói nhỏ được gọi là túi, chứa đầy các phân tử dẫn truyền thần kinh. Khi một điện thế hoạt động chạm đến tận cùng sợi trục và kích thích sự gia tăng nồng độ canxi, ion này sẽ kích thích túi này hợp nhất với màng tế bào và giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khoảng trống synap nhỏ giữa các tế bào.

Tế bào thần kinh được tác động bởi hóa chất được gọi là tế bào thần kinh sau synap. Các phân tử dẫn truyền thần kinh được giải phóng từ các túi trước synap đi ngang qua khe synap và liên kết với các protein, được gọi là các thụ thể dẫn truyền thần kinh, trên màng bề mặt của tế bào thần kinh sau synap.

Các chất dẫn truyền thần kinh nhanh chóng bị loại bỏ khỏi khớp thần kinh sau khi chúng được giải phóng. Điều này giảm thiểu thời gian chúng tương tác với các thụ thể để các tín hiệu tiếp hợp ngắn, rời rạc được tạo ra. Tại hầu hết các khớp thần kinh trong não, các protein cụ thể được gọi là chất vận chuyển dẫn truyền thần kinh làm trung gian cho việc loại bỏ này.

Các protein vận chuyển cư trú trong màng bề mặt tế bào và tích cực di chuyển phân tử chất dẫn truyền thần kinh từ bên ngoài vào bên trong tế bào. Trong nhiều trường hợp, sự hấp thu này xảy ra ở chính đầu cuối của khớp thần kinh, nơi chất dẫn truyền thần kinh được nạp trực tiếp vào các túi.

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các tế bào hỗ trợ tức là tế bào thần kinh đệm cũng tham gia vào quá trình hấp thu chất dẫn truyền thần kinh. Việc loại bỏ các chất dẫn truyền thần kinh tiếp hợp cũng có thể xảy ra thông qua các enzym làm suy giảm chất dẫn truyền thần kinh thành các phân tử cấu thành không tự kích hoạt các thụ thể.

Các thụ thể dẫn truyền thần kinh được chia thành hai loại chính, bao gồm:

• Thụ thể kênh ion phối tử (LGIC): là các protein chuyên dùng để truyền nhanh tín hiệu hóa học dẫn truyền thần kinh trực tiếp thành phản ứng điện. Một phần của protein được chuyên biệt hóa để liên kết với phân tử dẫn truyền thần kinh. “Vị trí liên kết” này nằm ở phần protein phía ngoài tế bào.

Phần protein bị chôn vùi trong màng bề mặt tế bào tạo thành lỗ ion, về cơ bản đó là một đường hầm chứa đầy chất lỏng trên màng mà các ion tích điện có thể đi qua. Thời gian từ khi liên kết chất dẫn truyền thần kinh đến khi mở lỗ ion từ micro giây đến mili giây.

Do đó, tại các khớp thần kinh sử dụng các kênh ion phối tử, thời gian giữa quá trình khử cực điện thế hoạt động của đầu cuối sợi trục và thời gian bắt đầu của dòng điện chạy qua LGIC sau synap là khoảng thời gian từ 1 đến 2 mili giây. Kiểu truyền dẫn qua synap này tạo ra ảnh hưởng nhanh chóng và mạnh mẽ đến chức năng của nơ-ron sau synap.

Các tín hiệu thần kinh được truyền qua thụ thể kênh ion bao gồm các tín hiệu kích thích và các tín hiệu ức chế. Các tín hiệu kích thích được thực hiện qua trung gian của các LGIC có chứa lỗ trống ion cho phép các ion tích điện dương (tức là các cation) chảy qua màng. Việc kích hoạt một thụ thể như vậy chủ yếu sẽ dẫn đến một dòng natri vào trong tế bào, làm cho điện thế màng khử cực, đưa nó đến gần ngưỡng điện thế hoạt động.

Các tín hiệu ức chế thường được dẫn truyền qua trung gian của các thụ thể có kênh thấm các ion tích điện âm (ví dụ, anion, thường là clorua). Khi được kích hoạt, các thụ thể này làm sẽ phân cực điện thế màng và/hoặc cố định điện thế màng ở điện áp dưới ngưỡng điện thế hoạt động.

• Thụ thể kết hợp với protein G (GPCR): là các protein chuyên dùng để liên kết phân tử dẫn truyền thần kinh và sau đó tạo ra các phản ứng sinh hóa nội bào có thể ảnh hưởng đến nhiều chức năng của tế bào. Các protein GPCR liên kết trực tiếp với các protein nội bào nhỏ, được gọi là G-protein, như tên gọi của chúng.

G-protein được đặt tên như vậy vì chúng có thể liên kết các nucleotide GTP và GDP. Khi một chất dẫn truyền thần kinh liên kết với thụ thể, sự trao đổi GTP lấy GDP ở phía nội bào của protein được tăng tốc và điều này làm cho protein G tách ra thành hai phần là tiểu đơn vị α- và β/γ, phân ly từ protein thụ thể.

Sau đó, các tiểu đơn vị α- và β/γ được giải phóng sẽ tự do tương tác với các protein khác nhau bên trong tế bào. Cả hai loại tiểu đơn vị này đều có thể hoạt động trên các protein “tác động” để thay đổi sinh hóa, sinh lý và biểu hiện gen của tế bào.

Ví dụ, tiểu đơn vị αS liên kết và hoạt hóa một protein enzyme có tên là adenylyl cyclase. Chức năng của adenylyl cyclase là chuyển đổi phân tử adenosine triphosphate (ATP) thành cyclic adenosine monophosphate (cAMP), và cAMP kết quả có thể tác động trên các enzym làm thay đổi chức năng của protein tế bào thông qua cơ chế gọi là phosphoryl hóa.

Trong khi đó các tiểu đơn vị β / γ tự do có thể trực tiếp liên kết và hoạt hóa một loại kênh ion cho phép chọn lọc số lượng kali qua màng tế bào thần kinh (kênh G-protein-được kích hoạt bên trong điều chỉnh kali [GIRK]). Việc kích hoạt con đường Gβ / γ-GIRK này sẽ tạo ra sự ức chế tế bào thần kinh, mặc dù ở khoảng thời gian chậm hơn so với con đường được tạo ra bởi các LGIC ức chế.

Nói chung, các phản ứng do GPCR tạo ra chậm hơn khi bắt đầu và kéo dài hơn so với các phản ứng do LGIC tạo ra. Tác động của GPCR đối với sinh lý tế bào thần kinh cũng thường tinh tế hơn so với tác động của LGIC vì chúng thường không kích hoạt trực tiếp dòng điện ion trong tế bào thần kinh. Do đó, truyền qua synap qua trung gian GPCRs thường được gọi là điều hòa thần kinh.

Hormone steroid là các phân tử nhỏ, phức tạp liên quan đến giao tiếp giữa các tế bào, chúng rất dễ hòa tan trong lipid và có nhiều hoạt động khác nhau trong cơ thể và não. Ví dụ, corticosteroid được giải phóng từ vỏ của tuyến thượng thận nằm trên đỉnh thận để phản ứng với căng thẳng bên ngoài và được máu đưa đến các vị trí hoạt động khắp cơ thể và não.

Hiện nay, các nhà khoa học cho rằng steroid có hai cơ chế hoạt động, bao gồm:

• Con đường truyền tín hiệu steroid truyền thống liên quan đến một thụ thể steroid nội bào nằm trong tế bào khi không liên kết và chuyển vị trí đến nhân tế bào khi nó được liên kết với steroid. Khi đó, protein thụ thể có thể liên kết với DNA và ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phiên mã của nhiều loại gen.
• Loại tín hiệu thứ hai của hormone steroid liên quan đến các hoạt động trên các thụ thể trên bề mặt tế bào. Ví dụ, các dẫn xuất của progesterone steroid sinh dục tương tác với các thụ thể loại A đối với chất dẫn truyền thần kinh γ-aminobutyric acid (GABA) để tăng cường chức năng của thụ thể một cách đồng dạng bằng cách tạo ra một cấu trúc hoặc hình dạng, thay đổi trong thụ thể. Cái gọi là neurosteroid hoạt động bên trong não có thể được tạo ra cục bộ trong mô thần kinh trung ương và do đó có thể có các hoạt động nội tiết cũng như paracrine.

Nhiều phân tử hữu cơ nhỏ đóng vai trò là chất dẫn truyền thần kinh trong não. Ví dụ, các axit amin như glutamate và glycine, được biết đến như là thành phần của protein, cũng hoạt động như chất dẫn truyền thần kinh. Histamine là một phân tử có vai trò nổi bật trong chứng viêm và nhiễm trùng trong cơ thể, cũng là chất dẫn truyền thần kinh. Có nhiều loại peptit cũng được phát hiện hoạt động như chất dẫn truyền thần kinh.

Một số chất dẫn truyền thần kinh chính, bao gồm:

• GABA làm là chất trung gian cho phần lớn sự ức chế khớp thần kinh nhanh trong não, đặc biệt thông qua việc kích hoạt các thụ thể GABA A. Giống như glutamate, GABA cũng được tìm thấy trong tất cả các vùng não.
• Glutamate là chất dẫn truyền thần kinh kích thích chính trong não động vật có vú. Sự dẫn truyền nhanh qua trung gian của chất dẫn truyền thần kinh này chiếm phần lớn kích thích khớp thần kinh. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi glutamate đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng của não.
• Dopamine: chất dẫn truyền thần kinh dopamine có liên quan rộng rãi đến nhiều chức năng của tế bào thần kinh, bao gồm cơ chế khen thưởng của não, đánh giá các kích thích môi trường, mức độ hoạt động hành vi chung và các rối loạn như bệnh Parkinson và tâm thần phân liệt. Mặc dù dopamine được tạo ra bởi rất ít tế bào trong não và hoạt động chủ yếu trong một tập hợp con của các vùng não, nhưng chất dẫn truyền thần kinh này dường như có tác động lớn đến chức năng não.
• Adenosine: Adenosine là một nucleoside purine (một hợp chất có gốc chứa nitơ liên kết với phân tử đường) được tạo ra trong quá trình chuyển hóa axit nucleic. Hợp chất này cũng tham gia vào một số kiểu giao tiếp tế bào, bao gồm truyền qua synap ở tất cả các vùng của hệ thần kinh. Adenosine chủ yếu là chất dẫn truyền điều hòa thần kinh và tạo ra các hoạt động thông qua việc kích hoạt hai loại GPCRS chính là các thụ thể adenosine A1 và A2a.
• Serotonin: chất dẫn truyền thần kinh serotonin là một họ hàng gần của phân tử dopamine thuộc họ chất dẫn truyền thần kinh được gọi là monoamines. Giống như dopamine, serotonin được tạo ra bởi các cụm tế bào thần kinh nhỏ rời rạc nằm ở đáy não. Các tế bào thần kinh này kết nối với các tế bào thần kinh khác nằm trong toàn bộ thần kinh trung ương, bao gồm các tế bào thần kinh trong vỏ não và các cấu trúc não trước khác. Do đó, serotonin có khả năng ảnh hưởng đến nhiều chức năng của não bao gồm cảm giác liên quan đến kích thích môi trường, nhận thức cơn đau, học tập và trí nhớ, giấc ngủ và tâm trạng.
• Opioid và các Peptide khác: Peptide từ lâu đã được biết đến với chức năng như hormone bên trong cơ thể và tham gia vào quá trình giao tiếp qua synap trong não. Tất cả các hoạt động của peptide đã biết trong não là điều hòa thần kinh, và chúng hoạt động thông qua GPCR. Nhiều peptide hoạt động như chất dẫn truyền thần kinh còn gọi là neuropeptide.
• Endocannabinoids và các chất điều hòa thần kinh có nguồn gốc từ lipid khác: các phân tử có nguồn gốc từ quá trình biến đổi hóa học của lipid được tìm thấy trong màng tế bào thần kinh là một loại khác của các chất điều hòa thần kinh. Các hợp chất có nguồn gốc từ lipid không nhất thiết phải được giải phóng từ các túi tiếp hợp. Không giống như các chất dẫn truyền thần kinh khác, chúng thường thoát ra khỏi tế bào thần kinh một cách trực tiếp qua màng bề mặt tế bào.

Giao tiếp bên trong não liên quan đến việc kích hoạt điện của các tế bào thần kinh và truyền hóa chất giữa các tế bào thần kinh tại các cấu trúc được gọi là khớp thần kinh. Quá trình truyền có thể được chia nhỏ thành quá trình truyền nhanh qua synap qua trung gian của thụ thể kênh ion phối tử (LGIC) và sự điều hòa thần kinh phát triển chậm hơn qua trung gian của thụ thể kết hợp với protein G (GPCR).

Nguồn tham khảo: ncbi.nlm.nih.gov