Chất xám là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chất xám

Chất xám (gray matter) là thành phần chủ yếu của hệ thần kinh trung ương, bao gồm vỏ não (cerebral cortex) và các nhân xám sâu (deep gray nuclei) như hạch nền (basal ganglia), đồi thị (thalamus) và hạch hạnh nhân (amygdala). Chất xám chịu trách nhiệm xử lý, tích hợp và chuyển tiếp thông tin thần kinh từ các sợi trục đến các trung tâm xử lý, đóng vai trò thiết yếu trong chức năng nhận thức và vận động.

Thành phần cấu trúc của chất xám bao gồm thân tế bào neuron, các nhánh sợi nhỏ dendrite, synapse và tế bào đệm (glia) không myelin hóa. Khác với chất trắng (white matter) giàu myelin và chuyên vận chuyển tín hiệu nhanh, chất xám tập trung ở những vùng cần xử lý thông tin phức tạp như nhận thức, trí nhớ và điều hòa cảm xúc.

Tại mỗi vùng chất xám, mật độ neuron và cấu trúc synapse biến đổi theo chức năng chuyên biệt. Ví dụ, vỏ não vận động (motor cortex) chứa neuron pyramidal lớp 5 với sợi trục dài hướng xuống tủy sống, trong khi vỏ não cảm giác (sensory cortex) có neuron tỷ lệ cao hơn ở lớp 4 để nhận tín hiệu từ cơ quan ngoại biên.

Cấu trúc và thành phần tế bào

Neuron trong chất xám gồm nhiều loại, trong đó neuron pyramidal chiếm đa số ở vỏ não, có soma hình chóp và dendrite tỏa rộng để nhận tín hiệu. Neuron hạch (stellate cells) và neuron hạt (granule cells) thường xuất hiện ở lớp 4 và lớp 2/3, chịu trách nhiệm truyền và điều hòa tín hiệu địa phương (NCBI).

Tế bào đệm (glial cells) trong chất xám bao gồm astrocyte, microglia và oligodendrocyte nguyên phát. Astrocyte hỗ trợ dinh dưỡng, điều hòa môi trường ngoại bào và hình thành hàng rào máu não; microglia là đại thực bào “tuần tra” phát hiện tổn thương và viêm; oligodendrocyte nguyên phát (NG2 cells) tham gia bánh bọc myelin cục bộ và hỗ trợ phục hồi sau chấn thương cúm não.

Khoảng trống ngoại bào (extracellular space) trong chất xám chiếm ~20 % thể tích, chứa dịch não tủy thu nhỏ, ion và yếu tố tăng trưởng, giúp duy trì cân bằng điện hóa và truyền tín hiệu paracrine giữa các tế bào.

Phân bố trong não và tủy sống

Trong não bộ, chất xám trải dài ở lớp vỏ ngoài của đại não (cerebral cortex), bao phủ diện tích khoảng 2.500 cm² ở người trưởng thành. Vùng này có cấu trúc sáu lớp tế bào, mỗi lớp đóng vai trò khác nhau trong xử lý thông tin cảm giác, vận động và nhận thức cao cấp.

Nhân xám sâu (subcortical gray matter) bao gồm các cấu trúc như đồi thị (trung tâm chuyển tiếp thính – thị giác), hạch nền (điều hòa vận động) và thể vân (mô hình hóa hành vi nhất định). Đồi thị chiếm ~4 % thể tích não, trong khi các nhân vỏ não khác tổng hợp khoảng 2 %.

Ở tủy sống, chất xám tạo thành hình “cánh bướm” trên mặt cắt ngang, chia làm sừng trước (anterior horn) chứa neuron vận động, sừng sau (posterior horn) chứa neuron cảm giác và sừng bên (lateral horn) chứa neuron tự chủ tại đoạn ngực. Thể tích chất xám tủy chiếm khoảng 25 % tổng diện tích tủy, giảm dần về phía đuôi.

Chức năng thần kinh

Chất xám là trung tâm xử lý và tích hợp thông tin thần kinh. Tại vỏ não vận động, neuron pyramidal truyền tín hiệu xuống tủy để khởi động co cơ. Vỏ não trước trán (prefrontal cortex) tích hợp thông tin đa giác quan, tham gia ra quyết định và lập kế hoạch hành động.

Trong nhận thức và trí nhớ, vùng hải mã (hippocampus) – một phần của nhân hồi hải mã (hippocampal formation) – đóng vai trò then chốt trong việc tạo lập và lưu trữ ký ức dài hạn. Hippocampus chiếm ~0,5 % thể tích não nhưng chứa mật độ synapse cao nhất, hỗ trợ quá trình học tập và điều chỉnh cảm xúc (Alzheimer’s Association).

Chất xám trong các nhân nền (basal ganglia) tham gia điều hòa vận động tự nguyện và thói quen, thông qua vòng lặp dopaminergic giữa striatum và vỏ não. Sự mất cân bằng dopamine trong chất xám nền dẫn đến rối loạn vận động điển hình như bệnh Parkinson và Huntington.

Phương pháp đo lường và hình ảnh

Sử dụng MRI phân giải cao (T1-weighted & T2-weighted) cho phép định lượng thể tích và mật độ chất xám vùng đầu, thân và đuôi não. Các phương pháp như voxel-based morphometry (VBM) phân tích thể tích chất xám trên từng voxel, so sánh khác biệt giữa nhóm tuổi hoặc nhóm bệnh (Human Connectome Project).

Diffusion tensor imaging (DTI) kết hợp đánh giá chất xám – trắng để khảo sát đường dẫn trục não, gián tiếp ước tính sự thay đổi trong cấu trúc chất xám thông qua phép đo fractional anisotropy (FA) và mean diffusivity (MD). Phân tích histogram của MD tại vùng chất xám phản ánh mật độ neuron và thay đổi do lão hóa.

PET (Positron Emission Tomography) với đồng vị phóng xạ FDG (fluorodeoxyglucose) đo cường độ chuyển hóa glucose tại chất xám, đánh giá chức năng sinh hóa và hoạt tính thần kinh. Vùng hoạt động cao như vỏ trán và thái dương biểu hiện tín hiệu FDG tăng, liên quan đến hoạt động nhận thức và ghi nhớ (PubMed).

Ảnh hưởng của tuổi và bệnh lý

Thể tích chất xám giảm trung bình 0,5–1 % mỗi năm sau tuổi 30, tập trung ở vùng prefrontal cortex và hippocampus. Giảm chất xám vùng trước trán liên quan đến suy giảm chức năng điều hành, ra quyết định và kiểm soát cảm xúc.

Trong Alzheimer’s disease, vùng hippocampus và entorhinal cortex mất tới 20–30 % thể tích chất xám giai đoạn sớm, tiến triển đến vùng liên quan xử lý ngôn ngữ và nhận thức không gian. Sự giảm này tương quan nghịch với điểm số MMSE (Mini–Mental State Examination) của bệnh nhân (Alzheimer’s Association).

Rối loạn phát triển thần kinh như autism spectrum disorder (ASD) và attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) ghi nhận bất thường mật độ chất xám vùng thái dương giữa và nhân vỏ não trước trán. Trẻ ASD có thể có tăng thể tích chất xám giai đoạn sớm (1–2 tuổi), sau đó giảm nhanh trong giai đoạn dậy thì.

Ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ

Machine learning và deep learning phát triển các mô hình phân loại bệnh dựa trên đặc trưng thể tích chất xám. Các thuật toán CNN (Convolutional Neural Networks) kết hợp VBM tự động phát hiện Alzheimer và Parkinson với độ chính xác >85 % (Nature Sci. Rep.).

Đồ hình kết nối não (connectome) xây dựng mạng lưới khu vực chất xám và chất trắng theo graph theory, xác định "hub" (nút chủ chốt) và cộng đồng (modular) chịu trách nhiệm truyền tin. Phân tích graph metrics như độ trung tâm (centrality) và độ kết nối (degree) giúp mô tả tổ chức chức năng não.

Công nghệ neuromodulation như TMS (transcranial magnetic stimulation) hoặc tDCS (transcranial direct current stimulation) thử nghiệm điều chỉnh thể tích chất xám qua kích thích điện từ tại vùng prefrontal cortex, ghi nhận tăng mật độ chất xám sau 4–6 tuần điều trị, cải thiện triệu chứng trầm cảm và chức năng nhận thức.

Vai trò trong bệnh lý tâm thần

Trong rối loạn trầm cảm nặng (MDD), giảm thể tích chất xám quan sát ở vùng dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC) và anterior cingulate cortex (ACC). Điều trị SSRI hoặc cognitive behavioral therapy (CBT) có thể phục hồi một phần thể tích chất xám tại DLPFC sau 8–12 tuần (NCBI).

Schizophrenia biểu hiện giảm mật độ chất xám toàn não, nổi bật ở vỏ trán trước, thái dương giữa và hippocampus. Giảm này gắn liền với triệu chứng âm tính (flat affect) và suy giảm nhận thức, đồng thời liên quan đến giảm kết nối chất xám – trắng qua DTI.

Rối loạn lo âu tổng quát (GAD) và PTSD (post-traumatic stress disorder) cho thấy giảm thể tích nhỏ nhưng có ý nghĩa tại vỏ não trước trán và amygdala. Tập trung hình ảnh chất xám giúp phân biệt subtypes triệu chứng và hướng dẫn lựa chọn điều trị dược lý hoặc tâm lý.

Tài liệu tham khảo

• Purves, D., Augustine, G. J., et al. “Neuroscience.” 6th Edition, Sinauer Associates, 2017.
• Fjell, A. M., Walhovd, K. B. “Structural brain changes in aging: courses, causes and cognitive consequences.” Reviews in the Neurosciences, 2010.
• Toga, A. W., Thompson, P. M. “Mapping Brain Asymmetry.” Nature Reviews Neuroscience, 2003.
• Van Essen, D. C., et al. “The WU-Minn Human Connectome Project: An overview.” NeuroImage, 2013.
• Nature Scientific Reports. “Classification of Alzheimer’s disease based on MRI images using deep learning.” 2019.