Sinh lý thần kinh là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về sinh lý thần kinh

Sinh lý thần kinh (neurophysiology) là lĩnh vực nghiên cứu các cơ chế hoạt động chức năng của hệ thần kinh, bao gồm quá trình điện học, hóa học và sinh học diễn ra trong neuron và giữa các mạng neuron. Đây là một nhánh quan trọng của sinh học thần kinh (neuroscience), giúp giải thích cách não bộ và tủy sống xử lý thông tin, phản ứng với môi trường và điều phối hành vi cơ thể.

Không giống với giải phẫu thần kinh vốn tập trung vào cấu trúc, sinh lý thần kinh đi sâu vào cơ chế hoạt động — từ cách xung điện lan truyền qua màng neuron cho đến sự giải phóng chất dẫn truyền thần kinh ở synapse. Các nguyên lý này là nền tảng cho việc chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh thần kinh.

Lĩnh vực này có mối liên hệ chặt chẽ với các chuyên ngành sau:

• Thần kinh học lâm sàng (neurology)
• Khoa học nhận thức (cognitive science)
• Tâm lý học thần kinh (neuropsychology)
• Trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (machine learning)

Cấu trúc cơ bản của tế bào thần kinh

Neuron là đơn vị chức năng của hệ thần kinh, với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền tín hiệu thần kinh. Một neuron điển hình bao gồm ba phần chính: thân tế bào (soma), sợi nhánh (dendrite) và sợi trục (axon).

Thân tế bào chứa nhân và các bào quan, đảm nhiệm chức năng duy trì sự sống tế bào. Sợi nhánh là nơi tiếp nhận tín hiệu từ các neuron khác, trong khi sợi trục dẫn truyền xung thần kinh đến các neuron kế tiếp hoặc cơ quan đáp ứng. Mỗi neuron có thể kết nối với hàng nghìn neuron khác thông qua synapse, tạo thành một mạng lưới cực kỳ phức tạp.

Bảng dưới đây mô tả ngắn gọn các thành phần chính của neuron:

Thành phần	Chức năng
Thân tế bào (Soma)	Tổng hợp protein, điều khiển hoạt động sống của tế bào
Sợi nhánh (Dendrite)	Tiếp nhận tín hiệu hóa học từ neuron khác
Sợi trục (Axon)	Dẫn truyền tín hiệu điện ra khỏi tế bào

Theo NCBI - Neuroscience: Neuron Structure, sự đa dạng về hình thái và đặc tính sinh điện của neuron là yếu tố quyết định khả năng xử lý thông tin phức tạp trong hệ thần kinh trung ương.

Điện thế nghỉ và điện thế hoạt động

Điện thế nghỉ là sự chênh lệch điện áp giữa bên trong và bên ngoài màng tế bào thần kinh khi không có kích thích. Mức điện thế này thường nằm trong khoảng -65 đến -70 mV, chủ yếu do sự phân bố không đều của các ion Na⁺, K⁺, Cl^- và protein âm (A^-) giữa hai phía màng tế bào.

Điện thế nghỉ được duy trì nhờ bơm Na⁺/K⁺-ATPase và tính thấm chọn lọc của màng đối với các ion. Khi một kích thích đủ mạnh xảy ra, neuron khử cực và phát sinh điện thế hoạt động, theo nguyên lý "tất cả hoặc không". Sự lan truyền của điện thế hoạt động dọc sợi trục là cơ chế cơ bản cho dẫn truyền xung thần kinh.

Công thức Nernst mô tả điện thế cân bằng của một ion:

$E = \frac{RT}{zF} \ln \left( \frac{[ion]_{outside}}{[ion]_{inside}} \right)$

Trong đó:

• $E$: điện thế cân bằng của ion
• $R$: hằng số khí lý tưởng
• $T$: nhiệt độ tuyệt đối
• $z$: hóa trị của ion
• $F$: hằng số Faraday

Điện thế hoạt động gồm 4 pha: khử cực nhanh, tái cực, siêu phân cực và hồi phục. Mỗi pha liên quan đến sự mở hoặc đóng của các kênh ion điện thế phụ thuộc (voltage-gated channels).

Dẫn truyền xung thần kinh

Xung thần kinh là điện thế hoạt động di chuyển dọc sợi trục của neuron, từ vùng khởi phát đến đầu tận cùng. Trong neuron không có bao myelin, tín hiệu truyền liên tục, trong khi ở neuron có bao myelin (do tế bào Schwann hoặc oligodendrocyte tạo thành), dẫn truyền theo kiểu nhảy cóc (saltatory conduction).

Ở đoạn myelin hóa, kênh ion bị che khuất, xung điện chỉ tái tạo tại các eo Ranvier — các khoảng ngắt giữa các bao myelin. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tốc độ dẫn truyền lên đến 100 lần.

So sánh hai loại sợi thần kinh:

Đặc điểm	Sợi không myelin	Sợi có myelin
Tốc độ dẫn truyền	Chậm (0.5–2 m/s)	Nhanh (10–120 m/s)
Kiểu truyền	Liên tục	Nhảy cóc
Tiêu tốn năng lượng	Cao	Thấp

Theo tài liệu Myelin and Nerve Conduction - NCBI, sự mất bao myelin trong bệnh đa xơ cứng (Multiple Sclerosis) dẫn đến rối loạn chức năng vận động và cảm giác nghiêm trọng.

Synapse và chất dẫn truyền thần kinh

Synapse là vùng tiếp xúc giữa hai neuron hoặc giữa neuron và tế bào đích (cơ, tuyến). Có hai loại synapse chính: synapse điện và synapse hóa học. Synapse hóa học phổ biến hơn và là nơi chất dẫn truyền thần kinh (neurotransmitters) đóng vai trò trung gian truyền tín hiệu.

Khi xung thần kinh đến đầu tận cùng của sợi trục, nó kích thích giải phóng các túi synaptic chứa chất dẫn truyền thần kinh vào khe synapse. Những chất này gắn vào thụ thể ở màng sau synapse, gây ra khử cực hoặc ức chế tùy vào loại thụ thể.

Các chất dẫn truyền thần kinh phổ biến bao gồm:

• Acetylcholine: có vai trò trong dẫn truyền thần kinh cơ và trí nhớ
• Dopamine: liên quan đến khoái cảm, hành vi và bệnh Parkinson
• Serotonin: ảnh hưởng đến tâm trạng, giấc ngủ và sự thèm ăn
• GABA (acid gamma-aminobutyric): chất dẫn truyền ức chế chính trong CNS
• Glutamate: chất dẫn truyền kích thích chính trong não

Việc tái hấp thu hoặc phân hủy các chất này sau khi thực hiện chức năng là một phần quan trọng để đảm bảo tín hiệu thần kinh không bị kéo dài hoặc rối loạn. Nhiều loại thuốc thần kinh học, như thuốc ức chế tái hấp thu serotonin có chọn lọc (SSRIs), hoạt động bằng cách điều chỉnh các quá trình này.

Các hệ thống thần kinh chính

Hệ thần kinh được chia thành hai phần chính: hệ thần kinh trung ương (CNS) và hệ thần kinh ngoại biên (PNS). CNS gồm não và tủy sống, là trung tâm điều khiển và xử lý thông tin. PNS bao gồm các dây thần kinh ngoại biên kết nối CNS với các cơ quan trong cơ thể.

Hệ thần kinh ngoại biên được chia tiếp thành:

• Hệ thần kinh soma: kiểm soát vận động và cảm giác có ý thức
• Hệ thần kinh tự động (autonomic): điều khiển chức năng tự động như nhịp tim, tiêu hóa, hô hấp

Hệ thần kinh tự động lại chia làm hai nhánh:

1. Giao cảm (sympathetic): chuẩn bị cơ thể cho phản ứng "chiến hay chạy" (fight or flight)
2. Đối giao cảm (parasympathetic): điều chỉnh cơ thể trong trạng thái nghỉ ngơi và tiêu hóa

Bảng sau tóm tắt một số chức năng khác biệt giữa hai nhánh:

Chức năng	Giao cảm	Đối giao cảm
Nhịp tim	Tăng	Giảm
Tiêu hóa	Ức chế	Kích thích
Đồng tử	Giãn	Co

Cơ sở thần kinh của hành vi

Hành vi con người chịu ảnh hưởng lớn từ các quá trình sinh lý thần kinh. Những vùng não như vỏ não trước trán (prefrontal cortex), hệ viền (limbic system), và hạch nền (basal ganglia) là trung tâm điều phối các chức năng liên quan đến cảm xúc, trí nhớ, động lực và ra quyết định.

Ví dụ, hải mã (hippocampus) có vai trò trong ghi nhớ dài hạn và định hướng không gian. Amygdala xử lý cảm xúc như sợ hãi và hung hăng. Sự mất cân bằng hoạt động ở các vùng này có thể dẫn đến các rối loạn như trầm cảm, lo âu hoặc rối loạn ám ảnh cưỡng chế (OCD).

Các kỹ thuật hình ảnh thần kinh hiện đại như fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging) và PET (Positron Emission Tomography) cho phép quan sát hoạt động của não khi thực hiện các tác vụ tâm lý. Điều này hỗ trợ việc nghiên cứu mối liên hệ giữa vùng não và hành vi cụ thể.

Ứng dụng lâm sàng của sinh lý thần kinh

Hiểu biết về sinh lý thần kinh là nền tảng cho chẩn đoán và điều trị nhiều bệnh lý thần kinh. Các phương pháp chẩn đoán như EEG (điện não đồ), EMG (điện cơ đồ), TMS (kích thích từ xuyên sọ) và DBS (kích thích não sâu) đều dựa trên kiến thức về dẫn truyền thần kinh và hoạt động điện của não.

Một số ứng dụng lâm sàng phổ biến bao gồm:

• Điều trị động kinh: bằng thuốc chống co giật hoặc phẫu thuật cắt bỏ vùng sinh xung
• Đặt DBS cho bệnh Parkinson: để điều chỉnh hoạt động bất thường của hạch nền
• Ứng dụng TMS trong điều trị trầm cảm kháng trị: kích thích vỏ não trước trán trái

Ngoài ra, các công nghệ đọc tín hiệu não (brain-computer interface) đang được phát triển để hỗ trợ người khuyết tật điều khiển máy tính hoặc cánh tay robot thông qua suy nghĩ.

Giao thoa với các lĩnh vực khác

Sinh lý thần kinh là lĩnh vực liên ngành, liên kết chặt chẽ với khoa học máy tính, vật lý, toán học và kỹ thuật. Mô hình mạng neuron nhân tạo (artificial neural networks) trong học sâu (deep learning) được lấy cảm hứng từ hoạt động lan truyền và học của neuron sinh học.

Các nguyên lý như học Hebbian (“neurons that fire together wire together”) đã được trừu tượng hóa để áp dụng vào việc huấn luyện mô hình máy học. Đồng thời, các nghiên cứu trong neuroscience cũng hướng tới mục tiêu tạo ra trí tuệ nhân tạo có thể hiểu ngữ cảnh, ra quyết định như con người.

Theo bài viết Frontiers in Neuroscience: AI and Neurophysiology, mô phỏng chính xác hoạt động thần kinh có thể mang lại tiến bộ đột phá trong lĩnh vực điều khiển học (cybernetics), công nghệ não - máy và robot học.

Kết luận

Sinh lý thần kinh không chỉ là một lĩnh vực khoa học cơ bản, mà còn là nền tảng cho việc hiểu được bản chất của tư duy, cảm xúc và hành vi con người. Ứng dụng của nó trải dài từ y học đến công nghệ cao. Trong tương lai, sự kết hợp giữa sinh lý thần kinh và trí tuệ nhân tạo hứa hẹn tạo ra những đột phá trong cả điều trị y khoa và phát triển máy móc thông minh.

Tài liệu tham khảo

1. Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2020). Neuroscience: Exploring the Brain (4th ed.). Wolters Kluwer.
2. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill Education.
3. Purves, D., et al. (2018). Neuroscience (6th ed.). Oxford University Press.
4. NCBI - Myelin and Nerve Conduction
5. Frontiers in Neuroscience - AI and Neurophysiology
6. NCBI - Synaptic Transmission
7. NCBI - Central Nervous System Anatomy