Chức năng thần kinh là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa chức năng thần kinh

Chức năng thần kinh là khả năng hệ thần kinh sinh ra, truyền dẫn và tích hợp tín hiệu điện – hóa để điều khiển các hoạt động sinh lý, vận động, cảm giác và nhận thức. Quá trình này bao gồm nhiều giai đoạn từ phát sinh điện thế hoạt động đến truyền thông tin giữa các vùng não và tủy sống.

Hệ thần kinh trung ương (não và tủy sống) phối hợp với hệ thần kinh ngoại biên (đường dẫn cảm giác và vận động) tạo thành mạng lưới phức tạp, cho phép phản ứng tức thời và học hỏi từ môi trường. Mỗi neuron tham gia vào hàng nghìn khớp nối, hình thành các circuits chịu trách nhiệm từng chức năng chuyên biệt.

Các thành phần chủ yếu của chức năng thần kinh bao gồm:

• Phát sinh và lan truyền điện thế hoạt động (action potential)
• Giải phóng và gắn kết chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitter)
• Tích hợp xung động tại màng sau synapse để tạo quyết định kích thích hay ức chế

Cơ sở tế bào học

Tế bào thần kinh (neuron) bao gồm thân tế bào (soma), sợi đuôi gai (dendrites) và sợi trục (axon). Soma chứa nhân và các bào quan, điều khiển tổng hợp protein và chuyển hóa nội bào; dendrites nhận tín hiệu qua các khớp nối; axon dẫn tín hiệu đến terminal synapse.

Điện thế nghỉ của neuron thường ở khoảng –70 mV, duy trì nhờ bơm Na⁺/K⁺ ATPase. Khi đủ kích thích, kênh Na⁺ mở nhanh tạo điện thế hoạt động, sau đó kênh K⁺ mở để tái phân cực màng.

Mô hình Hodgkin–Huxley mô tả từng kênh ion qua các biến nhanh/chậm (m, h, n), tổng hợp thành phương trình: $C_m\frac{dV}{dt}=-g_{\mathrm{Na}}m^3h(V-E_{\mathrm{Na}})-g_{\mathrm{K}}n^4(V-E_{\mathrm{K}})-g_L(V-E_L)$

Mạng lưới và mạch thần kinh

Neuron kết nối thông qua synapse hình thành các circuits cảm giác, vận động và trung gian. Mạch cảm giác dẫn tín hiệu từ receptor ngoại biên lên não, mạch vận động truyền lệnh xuống cơ, còn các circuits nội não chịu trách nhiệm học tập, ghi nhớ và ra quyết định.

Ví dụ mạch phản xạ tủy sống cho phép co cơ nhanh mà không cần qua não, giảm thời gian phản ứng để bảo vệ cơ thể. Mạch limbic điều tiết cảm xúc và ghi nhớ dài hạn, trong khi hệ lưới lưng (reticular formation) điều hành trạng thái tỉnh táo và giấc ngủ.

• Mạch cảm giác (sensory pathways): dẫn truyền xúc giác, thị giác, thính giác
• Mạch vận động (motor pathways): đường tháp và đường ngoại tháp
• Mạch trung gian (association networks): học tập và ghi nhớ

Chất dẫn truyền thần kinh

Neurotransmitter là chất hóa học chứa trong túi synaptic, giải phóng vào khe synapse khi có điện thế hoạt động. Sau giải phóng, chúng gắn kết vào receptor đặc hiệu trên màng postsynaptic để gây EPSP hoặc IPSP.

Các loại neurotransmitter chính bao gồm:

• Glutamate: chất kích thích chủ yếu, liên quan học tập và trí nhớ.
• GABA: chất ức chế chính, điều chỉnh cân bằng kích thích trên toàn hệ.
• Dopamine, Serotonin: điều hòa vận động, cảm xúc và hành vi.

Quá trình loại bỏ neurotransmitter qua tái hấp thu (reuptake) hoặc enzym phân hủy (vd. acetylcholinesterase) giúp kết thúc tín hiệu và tái tạo túi synaptic.

Truyền dẫn và tích hợp tín hiệu

Tín hiệu điện thế hoạt động (action potential) lan truyền dọc theo sợi trục (axon) tới đầu tận synapse, nơi kênh Ca2+ mở để kích thích túi synaptic giải phóng neurotransmitter. Chất dẫn truyền xuyên khe synapse khuếch tán và gắn vào receptor trên màng postsynaptic, gây ra điện thế kích thích (EPSP) hoặc ức chế (IPSP).

EPSP và IPSP cộng gộp về không gian (spatial summation) và thời gian (temporal summation) tại sợi đuôi gai (dendrites) quyết định việc đạt ngưỡng kích thích và phát sinh action potential mới ở soma. Sự cân bằng giữa tín hiệu kích thích và ức chế rất quan trọng để ngăn chặn hoạt động quá mức hoặc quá yếu của circuits thần kinh.

• Spatial summation: nhiều EPSP từ các synapse khác nhau đồng thời tác động lên soma.
• Temporal summation: EPSP lặp lại nhanh tại cùng một synapse gây tích lũy điện thế.
• Modulation: neuromodulators như dopamine điều chỉnh ngưỡng đáp ứng synapse.

Đặc tính dẻo thần kinh (neuroplasticity)

Neuroplasticity là khả năng thay đổi cấu trúc và chức năng của synapse và networks thần kinh theo kinh nghiệm, học tập hoặc sau tổn thương. Cơ chế chính bao gồm Long-Term Potentiation (LTP) và Long-Term Depression (LTD) tại khớp glutamatergic ở hippocampus và vỏ não.

LTP tăng cường số lượng và độ nhạy receptor AMPA trên màng postsynaptic, đồng thời kích hoạt kinase như CaMKII để ổn định kết nối. Ngược lại, LTD giảm mật độ AMPA và kích hoạt phosphatase để giảm sức mạnh synapse.

Neurogenesis ở vùng subgranular zone của hippocampus và subventricular zone tạo neuron mới tham gia circuits, đặc biệt sau chấn thương hoặc stress nặng (NIMH Neurogenesis).

Phương pháp đo lường chức năng

Patch-clamp ghi lại dòng ion qua kênh đơn lẻ hoặc toàn bộ soma, cho phép phân tích chi tiết động học kênh. Điện não đồ (EEG) và điện não từ (MEG) đo tín hiệu điện/từ trường tổng hợp từ hàng triệu neuron, thích hợp theo dõi hoạt động toàn não.

fMRI (functional MRI) ghi lại tín hiệu BOLD liên quan lưu lượng máu vùng não hoạt động, trong khi PET sử dụng chất đánh dấu phóng xạ như [18F]-FDG để đo chuyển hóa glucose. Optogenetics kích thích hoặc ức chế neuron cụ thể bằng ánh sáng nhờ kênh ion nhạy sáng, kết hợp calcium imaging cho hình ảnh hoạt động theo thời gian thực.

Suy giảm chức năng và bệnh lý

Suy giảm chức năng thần kinh gây ra các bệnh mạn tính và cấp tính: bệnh Alzheimer do tích tụ amyloid-β và giảm acetylcholine, Parkinson do mất neuron dopaminergic ở substantia nigra (NINDS Parkinson’s Disease).

Động kinh liên quan đến tăng hoạt động kích thích và giảm ức chế GABA, dẫn đến co giật lặp lại. Rối loạn cảm xúc và trầm cảm có liên quan đến mất cân bằng serotonin và noradrenaline, điều trị bằng SSRI để tăng nồng độ serotonin ngoại synapse.

• Alzheimer: mất trí nhớ, điều trị AChE inhibitors
• Parkinson: run, điều trị L-DOPA và DBS
• Động kinh: co giật, điều trị anticonvulsant (phenytoin, valproate)
• Trầm cảm: thay đổi HPA axis, dùng SSRI/SNRI

Điều chỉnh và ứng dụng lâm sàng

Thuốc tác động synapse: SSRI ức chế tái hấp thu serotonin, AChE inhibitors ngăn phân hủy acetylcholine, và L-DOPA cung cấp tiền chất dopamin. DBS (deep brain stimulation) kích thích điện vùng subthalamic nucleus hoặc globus pallidus giảm triệu chứng Parkinson.

Liệu pháp phục hồi chức năng thần kinh kết hợp kích thích vận động (motor training) và kích thích não qua màng sọ (tDCS) cải thiện chức năng sau đột quỵ. Công nghệ optogenetics và liệu pháp gen đang nghiên cứu nhằm điều chỉnh chính xác circuits để phục hồi chức năng sau tổn thương (Nature Optogenetics Review).

• SSRI/SNRI/MAOI cho rối loạn cảm xúc
• AChE inhibitors cho Alzheimer
• L-DOPA, DBS cho Parkinson
• tDCS và motor rehab cho khôi phục sau đột quỵ

Tài liệu tham khảo

1. Kandel E.R., Schwartz J.H., Jessell T.M. “Principles of Neural Science.” McGraw-Hill, 2013.
2. Purves D. et al. “Neuroscience.” Oxford University Press, 2018.
3. Hille B. “Ion Channels of Excitable Membranes.” Sinauer Associates, 2001.
4. National Institute of Mental Health. “Neurogenesis.” NIMH, 2020. https://www.nimh.nih.gov/…/neurogenesis
5. National Institute of Neurological Disorders and Stroke. “Parkinson’s Disease Fact Sheet.” NIH, 2021. https://www.ninds.nih.gov/…/Parkinsons-Disease-Fact-Sheet
6. Society for Neuroscience. “What Is Neuroplasticity?” SfN, 2021. https://www.sfn.org/.../neuroplasticity
7. Raissi M., Perdikaris P., Karniadakis G.E. “Physics-Informed Neural Networks.” Journal of Computational Physics, 2019. https://www.sciencedirect.com/.../S0021999118307125