Cá Danionella trong suốt mở ra kỷ nguyên mới cho nghiên cứu não bộ

Một trong những trung tâm nghiên cứu não bộ hàng đầu thế giới, Cơ sở Nghiên cứu Janelia của Viện Y tế Howard Hughes (HHMI), đang chuyển hướng tập trung từ ruồi giấm sang một loài cá nhỏ bé, trong suốt có tên Danionella cerebrum. Mục tiêu là sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) để quan sát toàn bộ não cá hoạt động trong thời gian thực, từ đó hiểu rõ hơn về cách não bộ điều khiển các hành vi phức tạp của động vật và con người.

Ảnh: NPR

Bối cảnh và lý do Janelia chọn cá Danionella cho nghiên cứu não bộ

Cơ sở Nghiên cứu Janelia, nổi tiếng với công trình nghiên cứu ruồi giấm, đặc biệt là dự án lập bản đồ 54,5 triệu kết nối trong não côn trùng này vào năm 2024, đang thực hiện một "canh bạc lớn và mạo hiểm" theo lời Gerry Rubin, Giám đốc điều hành sáng lập và Trưởng bộ phận sinh học của Janelia. Họ đang đặt cược vào loài cá Danionella cerebrum – một loài cá nhỏ chỉ dài khoảng nửa inch, vốn chưa được chính thức xác định là một loài riêng biệt cho đến năm 2021.

Lý do cho sự chuyển đổi này nằm ở đặc điểm độc đáo của Danionella: chúng thiếu phần trên của hộp sọ và có làn da trong suốt. Điều này cho phép các nhà khoa học quan sát trực tiếp hoạt động của toàn bộ não cá trong thời gian thực, một lợi thế lớn so với các mô hình thí nghiệm phổ biến khác như động vật gặm nhấm, vốn có não bị che khuất bởi hộp sọ và da. Nelson Spruston, Giám đốc điều hành của Janelia, nhấn mạnh rằng con người và cá đều có chung tổ tiên tiến hóa và nhiều đặc điểm não bộ tương đồng.

Những kế hoạch và công nghệ mới trong dự án nghiên cứu cá Danionella

Janelia có kế hoạch đầy tham vọng để hỗ trợ dự án này. Họ dự định tăng gấp ba lần không gian dành cho cá lên 6.000 feet vuông, tạo chỗ cho hàng nghìn bể cá mới. Số lượng các nhà khoa học làm việc với Danionella dự kiến sẽ tăng từ khoảng 10 lên 100 người hoặc hơn. Dự án sẽ tập trung vào "câu hỏi não bộ – hành vi" cơ bản của sinh học: làm thế nào các quá trình vật lý như sự kích hoạt của nơ-ron có thể tạo ra trí nhớ, trải nghiệm và việc ra quyết định.

Để giải quyết lượng dữ liệu khổng lồ thu được từ việc quan sát khoảng 650.000 nơ-ron của cá Danionella (gấp ba lần so với ruồi giấm), Janelia sẽ phụ thuộc rất nhiều vào trí tuệ nhân tạo. AI sẽ giúp phân tích và diễn giải dữ liệu một cách hiệu quả. Ngoài ra, trung tâm cũng sẽ phát triển các công cụ mới để giúp các nhà khoa học trên toàn thế giới dễ dàng nghiên cứu Danionella hơn, bao gồm việc lập bản đồ toàn bộ kết nối não cá, tương tự như họ đã làm với ruồi giấm. Mục tiêu cuối cùng là thực hiện các thí nghiệm trên những con cá đang bơi tự do, đòi hỏi những thách thức kỹ thuật nghiêm trọng.

Phản ứng và kỳ vọng từ cộng đồng khoa học về hướng đi mới

Erin O'Shea, Chủ tịch HHMI, gọi đây là một "thử thách mới táo bạo" có thể giúp giải quyết một trong những bí ẩn cơ bản của sinh học. Bà hy vọng rằng trong 10 năm tới, họ có thể hiểu được ít nhất một hành vi phức tạp ở cá, chẳng hạn như hành vi bơi theo đàn. Matt Lovett-Barron, một nhà khoa học nghiên cứu Danionella tại Đại học California, San Diego, hoan nghênh những tiến bộ này, nói rằng các công cụ mới sẽ giúp ông nghiên cứu cách cá sử dụng thông tin thị giác để đồng bộ hóa hoạt động khi bơi theo đàn trong môi trường thực tế ảo.

Mặc dù não cá Danionella chỉ có khoảng 650.000 nơ-ron so với 86 tỷ nơ-ron ở não người, các nhà khoa học tin rằng việc hiểu được mối liên hệ não bộ – hành vi ở một hệ thống nhỏ hơn nhưng vẫn phức tạp như cá Danionella có thể cung cấp những hiểu biết quan trọng áp dụng cho các loài khác, bao gồm cả con người.

Tiềm năng và thách thức trong việc giải mã mối liên hệ não bộ – hành vi

Dự án này mang lại tiềm năng to lớn trong việc mở khóa những bí ẩn về cách não bộ điều khiển hành vi. Bằng cách quan sát toàn bộ não hoạt động trong thời gian thực và sử dụng AI để phân tích dữ liệu khổng lồ, các nhà khoa học có thể hiểu được các quy trình phức tạp hơn nhiều so với việc chỉ nghiên cứu từng phần não. Điều này có thể dẫn đến những khám phá đột phá về trí nhớ, trải nghiệm và ra quyết định.

Tuy nhiên, dự án cũng đối mặt với nhiều thách thức, từ việc quản lý và phân tích lượng dữ liệu khổng lồ đến việc phát triển công nghệ mới cho phép quan sát cá trong môi trường tự nhiên, không bị cố định. Dù vậy, các nhà khoa học tại Janelia tin rằng những rủi ro này là xứng đáng, bởi vì "chúng ta đều tiến hóa từ cá, và bộ não của chúng ta chia sẻ nhiều đặc điểm với bộ não cá," như lời Nelson Spruston khẳng định.