Hệ thống thần kinh là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về hệ thống thần kinh

Hệ thống thần kinh là hệ điều khiển trung tâm của cơ thể sinh vật, chịu trách nhiệm tiếp nhận, xử lý và phản hồi thông tin. Đây là mạng lưới phức tạp của các tế bào chuyên biệt giúp điều hòa mọi hoạt động từ cơ bản như nhịp tim, hô hấp đến phức tạp như tư duy, trí nhớ và cảm xúc. Hệ thần kinh kết nối toàn bộ cơ thể với não bộ, hoạt động thông qua các xung điện và chất dẫn truyền thần kinh.

Hệ thần kinh của con người nặng khoảng 2% trọng lượng cơ thể nhưng tiêu thụ tới 20% năng lượng. Bộ não chứa khoảng 86 tỷ tế bào thần kinh, với hàng nghìn tỉ kết nối synapse. Thời gian phản ứng của hệ thần kinh rất nhanh, chỉ từ vài mili giây cho đến vài giây tùy theo loại phản xạ và đường truyền.

Đây là hệ thống duy nhất có khả năng học hỏi và thích nghi theo thời gian. Sự phát triển của hệ thần kinh bắt đầu từ giai đoạn phôi thai và tiếp tục tái tổ chức suốt đời thông qua hiện tượng “dẻo thần kinh” (neuroplasticity).

Phân loại cấu trúc hệ thần kinh

Về mặt cấu trúc giải phẫu, hệ thần kinh được chia thành hai thành phần chính là:

• Hệ thần kinh trung ương (Central Nervous System – CNS): gồm não bộ và tủy sống, đóng vai trò là trung tâm xử lý thông tin và điều phối phản ứng.
• Hệ thần kinh ngoại biên (Peripheral Nervous System – PNS): gồm các dây thần kinh và hạch thần kinh, nối CNS với các cơ quan, cơ bắp và da.

Hệ thần kinh ngoại biên còn được chia thành hai nhánh:

• Hệ thần kinh thể (somatic): điều khiển các hoạt động có ý thức như vận động cơ xương.
• Hệ thần kinh tự động (autonomic): điều khiển các hoạt động vô thức như nhịp tim, tiêu hóa, bao gồm hệ giao cảm và đối giao cảm.

Bảng so sánh sau minh họa rõ hơn sự khác biệt giữa CNS và PNS:

Đặc điểm	CNS	PNS
Thành phần	Não, tủy sống	Dây thần kinh, hạch
Chức năng chính	Xử lý và tích hợp tín hiệu	Truyền tín hiệu đến và đi từ CNS
Khả năng tái sinh	Hạn chế	Cao hơn CNS

Các thành phần tế bào thần kinh

Đơn vị cơ bản của hệ thần kinh là tế bào thần kinh (neuron). Mỗi neuron gồm ba phần chính: thân tế bào (soma), sợi nhánh (dendrite) và sợi trục (axon). Sợi nhánh tiếp nhận tín hiệu từ các neuron khác; sợi trục truyền tín hiệu đi xa dưới dạng xung điện đến các neuron hoặc cơ quan đích.

Neuron được hỗ trợ bởi các tế bào thần kinh đệm (glial cells), gồm nhiều loại như astrocyte, oligodendrocyte, microglia và Schwann. Các tế bào này không truyền xung điện nhưng giữ vai trò sống còn như cách điện cho sợi trục, cung cấp dinh dưỡng, dọn dẹp tế bào chết và duy trì môi trường ion ổn định.

Có nhiều loại neuron khác nhau được phân chia theo chức năng:

• Neuron cảm giác: tiếp nhận thông tin từ môi trường ngoài hoặc bên trong cơ thể.
• Neuron vận động: truyền tín hiệu từ CNS đến cơ hoặc tuyến.
• Neuron trung gian (interneuron): kết nối giữa các neuron khác trong CNS.

Cơ chế truyền tín hiệu thần kinh

Neuron truyền tín hiệu thông qua điện thế hoạt động (action potential). Khi một kích thích đủ mạnh xảy ra, màng tế bào bị khử cực, gây mở kênh ion natri. Dòng ion natri đi vào tế bào gây tăng điện thế trong màng, dẫn đến phát sinh xung điện lan truyền dọc theo sợi trục.

Điện thế hoạt động được mô tả toán học bằng mô hình Hodgkin-Huxley: $C_m \frac{dV}{dt} = - \bar{g}_{Na} m^3 h (V - E_{Na}) - \bar{g}_K n^4 (V - E_K) - \bar{g}_L (V - E_L)$ trong đó $V$ là điện thế màng, $C_m$ là điện dung màng, $\bar{g}$ là độ dẫn tối đa của từng loại ion, và $E$ là điện thế cân bằng.

Khi xung điện đến synapse, tín hiệu điện được chuyển thành hóa học qua việc giải phóng các chất dẫn truyền thần kinh như glutamate, GABA, acetylcholine. Những chất này gắn vào thụ thể ở neuron sau synapse, mở các kênh ion và tiếp tục chuỗi truyền tín hiệu.

Tốc độ truyền tín hiệu phụ thuộc vào đường kính sợi trục và sự hiện diện của myelin – lớp vỏ cách điện giúp tăng tốc độ dẫn truyền từ 0.5 m/s (không có myelin) lên đến 120 m/s (có myelin).

Hệ thần kinh tự động và trung ương

Hệ thần kinh trung ương (CNS) bao gồm não bộ và tủy sống, là trung tâm điều khiển và xử lý thông tin chính của toàn cơ thể. Não bộ được chia thành nhiều phần đảm nhiệm các chức năng khác nhau: não lớn (cerebrum) xử lý nhận thức, vận động, cảm xúc; tiểu não (cerebellum) điều phối vận động tinh; não giữa và hành tủy kiểm soát các chức năng sống như hô hấp, nhịp tim.

Tủy sống đóng vai trò là đường dẫn chính của tín hiệu giữa não và phần còn lại của cơ thể, đồng thời xử lý một số phản xạ tự động. Các mạch phản xạ như co chân khi chạm vật nóng hoạt động hoàn toàn ở tủy sống mà không cần sự tham gia của não bộ.

Hệ thần kinh tự động (autonomic nervous system – ANS) hoạt động độc lập và kiểm soát các chức năng sống cơ bản như hô hấp, tuần hoàn, tiêu hóa, bài tiết. ANS bao gồm:

• Hệ giao cảm (sympathetic): kích thích hoạt động “chiến hoặc chạy” (fight or flight), tăng nhịp tim, giãn đồng tử, ức chế tiêu hóa.
• Hệ đối giao cảm (parasympathetic): hỗ trợ trạng thái nghỉ ngơi – tiêu hóa (rest and digest), làm chậm nhịp tim, kích thích tiết nước bọt và nhu động ruột.

Sự cân bằng giữa hai nhánh giao cảm và đối giao cảm duy trì trạng thái ổn định của cơ thể trong mọi hoàn cảnh, kể cả khi nghỉ ngơi hay chịu stress cấp tính.

Vai trò trong học tập và trí nhớ

Quá trình học tập và ghi nhớ được thực hiện chủ yếu ở các vùng não như hippocampus, vỏ não trước trán (prefrontal cortex) và amygdala. Những vùng này tham gia hình thành, lưu giữ và truy xuất thông tin theo thời gian.

Trí nhớ được chia thành ba loại: trí nhớ ngắn hạn (short-term), trí nhớ làm việc (working memory) và trí nhớ dài hạn (long-term). Trí nhớ ngắn hạn xử lý thông tin trong vài giây đến vài phút, trong khi trí nhớ dài hạn có thể kéo dài suốt đời. Quá trình chuyển từ ngắn hạn sang dài hạn gọi là mã hóa (encoding).

Hiện tượng “dẻo synapse” (synaptic plasticity), đặc biệt là tăng cường synapse dài hạn (LTP – Long-Term Potentiation), là nền tảng sinh học cho học tập. LTP xảy ra khi một khớp synapse trở nên mạnh hơn sau khi được kích thích lặp đi lặp lại, làm tăng hiệu quả truyền tín hiệu giữa hai neuron.

Bệnh lý và rối loạn hệ thần kinh

Hệ thần kinh có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều rối loạn, từ thoái hóa mãn tính đến chấn thương cấp tính. Một số bệnh lý tiêu biểu bao gồm:

• Alzheimer: bệnh lý thoái hóa thần kinh gây mất trí nhớ, rối loạn hành vi, do tích tụ mảng beta-amyloid và sợi tau trong não.
• Parkinson: liên quan đến giảm dopamine ở não giữa, gây run tay, cứng cơ và giảm vận động tự chủ.
• Đa xơ cứng (Multiple Sclerosis): hệ miễn dịch tấn công lớp vỏ myelin, làm gián đoạn truyền tín hiệu thần kinh.
• Động kinh: hoạt động điện bất thường ở não gây ra cơn co giật hoặc thay đổi hành vi.

Chẩn đoán các bệnh này thường cần kết hợp hình ảnh học (MRI, PET), xét nghiệm dịch não tủy và đánh giá thần kinh học. Điều trị bao gồm thuốc điều chỉnh neurotransmitter, phục hồi chức năng, và trong một số trường hợp, can thiệp phẫu thuật như kích thích não sâu (DBS).

Phương pháp nghiên cứu hệ thần kinh

Khoa học thần kinh hiện đại sử dụng nhiều công cụ để hiểu cấu trúc và chức năng não bộ:

• MRI chức năng (fMRI): đo lưu lượng máu để suy luận vùng hoạt động khi thực hiện một tác vụ.
• Ghi điện não (EEG): đo dao động điện thế trên da đầu, ứng dụng trong nghiên cứu giấc ngủ, động kinh.
• Optogenetics: kỹ thuật chiếu sáng để điều khiển neuron đã được gắn gen nhạy sáng.
• Hệ thống BCI (Brain-Computer Interface): chuyển tín hiệu não thành tín hiệu máy tính, ứng dụng cho người bại liệt.

Những công cụ này cho phép nghiên cứu hệ thần kinh ở nhiều cấp độ: từ gene, protein, mạng neuron đến hành vi. Mô hình thần kinh sinh học (biophysical model) giúp mô phỏng sự phát xung, tạo mạng neuron và đồng bộ hóa hoạt động thần kinh.

Triển vọng và xu hướng phát triển

Trong tương lai, khoa học thần kinh sẽ hội tụ mạnh mẽ với công nghệ số, AI và sinh học phân tử. Hướng đi tiềm năng bao gồm:

• Ghép não – máy qua BCI nhằm phục hồi chức năng vận động ở người liệt toàn thân.
• Chỉnh sửa gene (CRISPR) để điều trị rối loạn thần kinh di truyền như Huntington.
• Sử dụng tế bào gốc để tái sinh neuron sau chấn thương tủy sống.
• Mô hình hóa não toàn phần để hiểu bản chất ý thức và cảm xúc.

Dự án Human Brain Project (Châu Âu) và BRAIN Initiative (Mỹ) đang tạo ra kho dữ liệu khổng lồ nhằm giải mã cấu trúc vi mô và chức năng toàn diện của não người, mở ra khả năng phát hiện sớm bệnh lý và phát triển liệu pháp cá nhân hóa.

Tài liệu tham khảo

• NCBI – Human Nervous System Overview
• Nature Reviews Neuroscience – Synaptic Plasticity
• ScienceDirect – Hodgkin‑Huxley Model
• Frontiers – Brain‑Computer Interfaces
• Human Brain Project (EU)