Neuron là gì? Các bài nghiên cứu khoa học về Neuron

Định nghĩa neuron

Neuron là đơn vị cơ bản của hệ thần kinh, có chức năng truyền dẫn tín hiệu điện và hóa học trong cơ thể sinh vật. Đây là loại tế bào đặc biệt có khả năng nhận, xử lý và truyền thông tin dưới dạng xung điện và tín hiệu hóa học. Neuron tạo nên mạng lưới liên kết phức tạp, cho phép điều khiển các phản xạ, hành vi và quá trình nhận thức.

Mỗi neuron điển hình có ba phần chính: thân tế bào (soma), sợi nhánh (dendrite) và sợi trục (axon). Thân tế bào chứa nhân và bào quan, là nơi tổng hợp protein và điều phối hoạt động của neuron. Sợi nhánh tiếp nhận tín hiệu từ các neuron khác, trong khi sợi trục dẫn truyền xung điện đến đầu tận cùng, nơi truyền thông tin đến neuron kế tiếp hoặc tế bào hiệu ứng như cơ hoặc tuyến.

Neuron không phân chia bằng quá trình nguyên phân như các tế bào khác. Hầu hết neuron được hình thành trong giai đoạn phôi thai và tồn tại suốt đời. Một số vùng đặc biệt trong não như hồi hải mã vẫn có khả năng tạo neuron mới ở người trưởng thành, nhưng với tốc độ rất hạn chế. [Encyclopædia Britannica]

Phân loại neuron

Neuron được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm chức năng, hình thái học và hướng truyền tín hiệu. Theo chức năng, có ba loại chính:

• Neuron cảm giác (sensory neurons): Nhận tín hiệu từ môi trường bên ngoài hoặc nội tại và truyền đến hệ thần kinh trung ương.
• Neuron vận động (motor neurons): Truyền tín hiệu từ hệ thần kinh trung ương đến cơ quan đáp ứng như cơ bắp hoặc tuyến nội tiết.
• Neuron trung gian (interneurons): Kết nối các neuron với nhau bên trong hệ thần kinh trung ương, đóng vai trò điều phối và xử lý tín hiệu.

Dựa trên hình thái học, neuron được chia thành các loại theo số lượng nhánh xuất phát từ thân tế bào:

1. Neuron một cực (unipolar): Có một nhánh duy nhất chia đôi thành sợi nhánh và sợi trục.
2. Neuron hai cực (bipolar): Có một sợi nhánh và một sợi trục; thường gặp ở giác quan như mắt và mũi.
3. Neuron đa cực (multipolar): Có nhiều sợi nhánh và một sợi trục; là loại phổ biến nhất trong hệ thần kinh trung ương.

Bảng dưới đây minh họa một số loại neuron điển hình:

Loại neuron	Đặc điểm cấu trúc	Vị trí phổ biến
Unipolar	Chỉ một nhánh chính chia đôi	Hạch rễ sau của tủy sống
Bipolar	Một sợi nhánh, một sợi trục	Võng mạc, hạch thính giác
Multipolar	Nhiều sợi nhánh, một sợi trục	Vỏ não, tủy sống

Cấu trúc và chức năng của neuron

Thân tế bào neuron chứa nhân và các bào quan như ty thể, ribosome và bộ máy Golgi, giúp thực hiện tổng hợp protein và duy trì hoạt động sống. Nhân chứa DNA điều khiển quá trình phiên mã và điều hòa biểu hiện gen. Màng tế bào neuron được trang bị các kênh ion và thụ thể đặc biệt cho phép xử lý và phản hồi tín hiệu.

Sợi nhánh là các nhánh ngắn tỏa ra từ thân tế bào, nhận tín hiệu từ các neuron khác qua synapse. Cấu trúc phân nhánh rộng giúp tăng diện tích tiếp nhận thông tin. Sợi trục là phần dài, dẫn xung điện từ thân tế bào đến các neuron hoặc cơ quan khác. Nhiều sợi trục được bao phủ bởi bao myelin do tế bào Schwann (ở ngoại biên) hoặc oligodendrocyte (ở trung ương) tạo thành, giúp tăng tốc độ dẫn truyền.

Các đoạn bao myelin được ngắt quãng bởi các nút Ranvier, nơi diễn ra quá trình truyền xung saltatory – xung điện "nhảy" qua các nút này thay vì đi liên tục. Cơ chế này làm tăng đáng kể tốc độ truyền tín hiệu trong các sợi trục dài.

Cơ chế truyền dẫn xung thần kinh

Xung thần kinh (nerve impulse) là tín hiệu điện chạy dọc theo sợi trục, còn được gọi là điện thế hoạt động (action potential). Sự phát sinh của xung thần kinh phụ thuộc vào thay đổi điện thế màng do dòng ion Na⁺ và K⁺ đi qua màng tế bào. Khi một kích thích đạt đến ngưỡng, kênh Na⁺ mở và gây khử cực màng, làm điện thế tăng đột ngột.

Ngay sau đó, kênh Na⁺ đóng lại, kênh K⁺ mở ra cho phép ion K⁺ rời khỏi tế bào, làm màng tế bào tái phân cực. Quá trình này được điều chỉnh bởi các kênh ion phụ thuộc điện thế và tạo thành một chuỗi phản ứng lan truyền dọc theo sợi trục. Sau mỗi xung, neuron trải qua giai đoạn trơ tuyệt đối và tương đối trước khi có thể phát xung mới.

Phương trình Hodgkin-Huxley mô tả quá trình truyền dẫn như sau: $I = C_m \frac{dV}{dt} + g_{Na}(V - E_{Na}) + g_K(V - E_K) + g_L(V - E_L)$ Trong đó:

• $I$: dòng điện qua màng
• $C_m$: điện dung màng
• $g$: độ dẫn ion
• $V$: điện thế màng
• $E$: điện thế cân bằng của từng ion

Tốc độ dẫn truyền của xung thần kinh phụ thuộc vào đường kính sợi trục và mức độ myelin hóa. Sợi trục lớn và có bao myelin dẫn xung nhanh hơn nhiều so với sợi không myelin hoặc có đường kính nhỏ.

Synapse và dẫn truyền hóa học

Synapse là cấu trúc kết nối giữa hai neuron hoặc giữa một neuron và một tế bào hiệu ứng như cơ hoặc tuyến. Có hai loại synapse chính: synapse điện và synapse hóa học. Trong hệ thần kinh người, synapse hóa học phổ biến hơn và đóng vai trò thiết yếu trong xử lý và truyền thông tin thần kinh.

Tại synapse hóa học, khi điện thế hoạt động lan đến đầu tận cùng của sợi trục, các kênh ion Ca²⁺ phụ thuộc điện thế mở ra, cho phép ion Ca²⁺ đi vào tế bào. Ion Ca²⁺ kích thích các túi chứa chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters) hòa màng và giải phóng chất vào khe synapse. Các chất này khuếch tán đến màng sau synapse và gắn vào thụ thể đặc hiệu, khởi phát đáp ứng điện mới ở neuron kế tiếp.

Một số chất dẫn truyền thần kinh phổ biến:

• Acetylcholine: truyền tín hiệu từ neuron vận động đến cơ xương.
• Dopamine: liên quan đến phần thưởng, cảm xúc và vận động.
• Serotonin: ảnh hưởng đến tâm trạng và giấc ngủ.
• Glutamate: chất kích thích chính trong hệ thần kinh trung ương.
• GABA: chất ức chế chính trong hệ thần kinh trung ương.

Tín hiệu hóa học tại synapse có thể được tăng cường, giảm đi, hoặc chấm dứt thông qua tái hấp thu chất dẫn truyền, phân hủy enzym hoặc khuếch tán ra khỏi khe synapse. Các cơ chế này đảm bảo tín hiệu truyền đúng thời điểm và không kéo dài gây rối loạn hoạt động thần kinh. [NCBI – Synaptic Transmission]

Neuron trong hệ thần kinh trung ương và ngoại biên

Hệ thần kinh được chia thành hai phần chính: hệ thần kinh trung ương (central nervous system – CNS) bao gồm não và tủy sống, và hệ thần kinh ngoại biên (peripheral nervous system – PNS) bao gồm tất cả các dây thần kinh và hạch bên ngoài CNS. Neuron trung gian tập trung trong CNS, nơi chúng xử lý và tích hợp thông tin từ neuron cảm giác và điều phối phản hồi qua neuron vận động.

Neuron cảm giác nằm ở PNS, đưa thông tin từ các cơ quan cảm giác (mắt, tai, da…) về CNS. Ngược lại, neuron vận động truyền mệnh lệnh từ CNS đến các cơ bắp và tuyến. Cấu trúc giải phẫu và chức năng của neuron trong CNS và PNS có một số khác biệt, đặc biệt ở bao myelin và khả năng tái tạo sau chấn thương.

Bảng dưới đây so sánh neuron ở CNS và PNS:

Tiêu chí	Neuron trong CNS	Neuron trong PNS
Vị trí	Não và tủy sống	Bên ngoài não và tủy sống
Bao myelin	Do oligodendrocyte tạo	Do tế bào Schwann tạo
Khả năng tái sinh	Hạn chế	Tương đối tốt
Vai trò chính	Xử lý và tích hợp tín hiệu	Truyền dẫn tín hiệu từ và đến CNS

Hiểu được sự phân chia chức năng này là cơ sở để nghiên cứu các rối loạn thần kinh cũng như phát triển các chiến lược điều trị tái tạo thần kinh. [NCBI – CNS Structure]

Quá trình hình thành và phát triển neuron

Neuron được hình thành từ các tế bào gốc thần kinh trong giai đoạn bào thai thông qua quá trình phân chia gọi là neurogenesis. Sau khi hình thành, neuron non sẽ di chuyển đến vị trí chức năng và bắt đầu phát triển sợi trục, sợi nhánh, tạo synapse và tích hợp vào mạng lưới thần kinh.

Trong hệ thần kinh trưởng thành, khả năng sinh neuron mới bị giới hạn nhưng không hoàn toàn mất đi. Tại hồi hải mã – một vùng liên quan đến trí nhớ, neurogenesis vẫn tiếp diễn ở người lớn. Yếu tố dinh dưỡng, vận động thể chất, giấc ngủ và kích thích nhận thức đều ảnh hưởng đến tốc độ hình thành neuron mới.

Các giai đoạn chính của phát triển neuron:

1. Phân chia tế bào gốc thành tiền neuron.
2. Di cư đến vùng mục tiêu.
3. Phân cực và hình thành trục thần kinh.
4. Tạo synapse (synaptogenesis).
5. Loại bỏ synapse không cần thiết (synaptic pruning).

[Nature Reviews Neuroscience]

Neuron và các bệnh thần kinh

Neuron là mục tiêu chính trong nhiều bệnh lý thần kinh như Alzheimer, Parkinson, Huntington, xơ cứng teo cơ (ALS), động kinh và bệnh thần kinh ngoại biên. Các bệnh này thường gây tổn thương tế bào thần kinh thông qua quá trình thoái hóa, mất myelin, mất kết nối synapse hoặc rối loạn hoạt động dẫn truyền.

Ví dụ, trong bệnh Alzheimer, các mảng amyloid và đám rối sợi thần kinh gây chết neuron ở vùng vỏ não và hồi hải mã, dẫn đến mất trí nhớ tiến triển. Ở Parkinson, sự mất dopamin ở vùng chất đen làm suy giảm điều khiển vận động. Trong ALS, các neuron vận động bị thoái hóa, dẫn đến yếu và teo cơ toàn thân.

Một số hướng tiếp cận điều trị hiện nay:

• Chất ức chế enzym phân hủy chất dẫn truyền thần kinh.
• Chất bảo vệ tế bào thần kinh chống stress oxy hóa.
• Liệu pháp tế bào gốc tái tạo neuron.
• Điều chỉnh gen và protein trong mạng lưới synapse.

[Alzheimer’s Association]

Neuron nhân tạo trong khoa học máy tính

Mô hình neuron sinh học đã truyền cảm hứng cho phát triển mạng neuron nhân tạo (ANN), một thành phần cốt lõi trong lĩnh vực học máy và trí tuệ nhân tạo. Mỗi neuron nhân tạo nhận đầu vào từ nhiều nguồn, tính toán tổng có trọng số, áp dụng hàm kích hoạt và truyền đầu ra đến lớp kế tiếp.

Phương trình cơ bản mô tả hoạt động của một neuron nhân tạo: $y = f\left(\sum_{i=1}^{n} w_i x_i + b\right)$ Trong đó:

• $x_i$: giá trị đầu vào
• $w_i$: trọng số tương ứng
• $b$: độ lệch (bias)
• $f$: hàm kích hoạt (ReLU, sigmoid, tanh...)

Mạng neuron nhân tạo được sử dụng trong nhận diện hình ảnh, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, dịch máy, dự đoán chuỗi thời gian và nhiều ứng dụng tự động hóa khác. Các kiến trúc sâu hơn như mạng nơron tích chập (CNN), mạng hồi tiếp (RNN) và Transformer đã đưa AI tiến những bước nhảy vọt trong thập kỷ qua. [Nature – Deep Learning]

Tài liệu tham khảo

1. Encyclopædia Britannica. Nerve cell. https://www.britannica.com/science/nerve-cell
2. NCBI Bookshelf. Synaptic Transmission. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11123/
3. NCBI Bookshelf. CNS Structure. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK11154/
4. Nature Reviews Neuroscience. Adult neurogenesis. https://www.nature.com/articles/nrn1058
5. Alzheimer’s Association. What is Alzheimer’s? https://www.alz.org/alzheimers-dementia/what-is-alzheimers
6. Nature. Deep learning. https://www.nature.com/articles/nature14539