Eric Kandel là nhà khoa học thần kinh người Mỹ gốc Áo, nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2000 nhờ khám phá cơ chế phân tử của trí nhớ trên con sên biển Aplysia. Ông chỉ ra rằng trí nhớ ngắn hạn đến từ việc thay đổi tạm thời các phân tử sẵn có ở synapse, còn trí nhớ dài hạn đòi hỏi bật gen, tổng hợp protein mới và mọc thêm kết nối thần kinh. Ông chia giải năm đó với Arvid Carlsson và Paul Greengard.
Từ Vienna đến New York
Eric Kandel sinh năm 1929 ở Vienna (Áo) trong một gia đình Do Thái. Năm 1938, sau khi Đức Quốc xã sáp nhập Áo, gia đình ông phải chịu sự bức hại ngày càng nặng nề. Năm 1939, khi mới chín tuổi, ông cùng anh trai sang Mỹ, cha mẹ ông theo sau. Trong hồi ký, ông kể rằng những ký ức về Vienna năm đó in đậm trong ông suốt đời — và chính câu hỏi vì sao có những ký ức bền bỉ đến vậy đã góp phần đưa ông đến với khoa học về trí nhớ.
Ông học lịch sử và văn học ở Đại học Harvard, từng mơ trở thành nhà phân tâm học, rồi học y. Dần dần, ông chuyển hướng sang câu hỏi: trí nhớ được ghi vào não bằng cơ chế sinh học nào?
Vì sao chọn một con sên biển
Đầu thập niên 1960, nhiều đồng nghiệp cho rằng nghiên cứu trí nhớ trên một con sên là lựa chọn kỳ quặc. Não người quá phức tạp để lần ra từng mối nối, nhưng một sinh vật đơn giản thì có thể. Kandel chọn Aplysia — một loài sên biển lớn, không có vỏ — vì những lý do rất thực tế:
| Đặc điểm của Aplysia | Lợi ích cho nghiên cứu |
|---|---|
| Hệ thần kinh chỉ khoảng 20.000 nơ-ron (người có khoảng 86 tỷ) | Có thể vẽ sơ đồ mạch thần kinh cho từng hành vi |
| Nhiều nơ-ron rất to, có cái nhìn thấy bằng mắt thường | Dễ cắm điện cực, ghi tín hiệu, tiêm chất thử |
| Nơ-ron có thể nhận diện riêng từng con và giống nhau giữa các cá thể | Nghiên cứu lặp lại cùng một tế bào ở nhiều con |
| Có những phản xạ đơn giản nhưng biết "học" | Đo được sự thay đổi hành vi và nối với thay đổi tế bào |
Ý tưởng nền tảng là: nếu cơ chế học tập được bảo tồn qua tiến hoá, thì những gì tìm ra ở sên biển sẽ có ý nghĩa cho cả người. Về sau, điều này phần lớn được xác nhận.
Phản xạ rụt mang: một hành vi để học
Khi bị chạm nhẹ vào ống thở (siphon), Aplysia co mang lại để bảo vệ. Phản xạ đơn giản này có thể thay đổi qua kinh nghiệm theo ba cách:
- Quen dần (habituation): chạm nhẹ nhiều lần không gây hại, phản xạ yếu dần. Giống như người dọn về gần đường tàu, sau một thời gian không còn giật mình mỗi khi tàu chạy qua.
- Nhạy cảm hoá (sensitization): sau một cú sốc điện nhẹ ở đuôi, con sên co mang mạnh hơn khi bị chạm, trong một thời gian. Giống như sau khi suýt bị xe tông, ta giật mình với mọi tiếng còi.
- Điều kiện hoá cổ điển: nếu chạm nhẹ luôn đi kèm sốc ở đuôi, con sên học cách co mạnh khi chỉ bị chạm nhẹ.
Điều quan trọng: tuỳ cách huấn luyện, trí nhớ này có thể kéo dài vài phút (một lần sốc) hoặc nhiều ngày đến vài tuần (nhiều lần sốc rải ra). Như vậy, một con sên cũng có trí nhớ ngắn hạn và dài hạn — và Kandel có thể đi tìm sự khác biệt giữa chúng ở cấp phân tử.
Trí nhớ ngắn hạn: thay đổi những gì có sẵn
Kandel và cộng sự phát hiện khi con sên bị sốc ở đuôi, các nơ-ron điều hoà giải phóng serotonin lên synapse giữa nơ-ron cảm giác và nơ-ron vận động. Serotonin kích hoạt một chuỗi tín hiệu bên trong nơ-ron cảm giác, gồm phân tử truyền tin cAMP và enzyme protein kinase A. Kết quả là nơ-ron cảm giác giải phóng nhiều chất dẫn truyền hơn ở mỗi lần bị kích thích — synapse "to tiếng" hơn.
Những thay đổi này chỉ sửa đổi các protein sẵn có, không cần tạo protein mới, và tự mất đi sau một thời gian ngắn. Đó là cơ sở phân tử của trí nhớ ngắn hạn.
Trí nhớ dài hạn: bật gen và mọc kết nối mới
Khi kích thích được lặp lại nhiều lần với khoảng nghỉ, chuyện khác hẳn xảy ra:
- Enzyme protein kinase A tích luỹ đủ nhiều thì đi vào nhân tế bào.
- Ở đó, nó kích hoạt một protein điều hoà gen có tên CREB.
- CREB bật các gen cần thiết, tế bào tổng hợp protein mới.
- Protein mới giúp xây thêm synapse: nơ-ron cảm giác mọc thêm đầu tận cùng, tạo nhiều điểm tiếp xúc hơn với nơ-ron vận động.
Nói cách khác, trí nhớ dài hạn đi kèm thay đổi cấu trúc vật lý của mạch thần kinh. Nhóm của Kandel quan sát được số điểm tiếp xúc tăng lên ở con sên có trí nhớ nhạy cảm hoá dài hạn và giảm đi ở con có trí nhớ quen dần dài hạn. Nếu chặn việc tổng hợp protein hay chặn CREB, trí nhớ ngắn hạn vẫn hình thành nhưng không chuyển được sang dài hạn.
| Trí nhớ ngắn hạn | Trí nhớ dài hạn | |
|---|---|---|
| Huấn luyện | Một lần | Nhiều lần, có khoảng nghỉ |
| Thay đổi ở synapse | Tăng giải phóng chất dẫn truyền | Tăng số lượng synapse |
| Cần protein mới | Không | Có |
| Phân tử then chốt | Serotonin, cAMP, protein kinase A | Thêm CREB, gen mới, protein mới |
Từ sên biển đến chuột và người
Từ thập niên 1990, Kandel chuyển một phần nghiên cứu sang chuột biến đổi gen để kiểm tra các cơ chế này ở động vật có vú. Ông và nhiều phòng thí nghiệm khác thấy những phân tử tương tự — cAMP, protein kinase A, CREB — cũng tham gia vào trí nhớ dài hạn phụ thuộc hồi hải mã ở chuột, và vào tăng cường dài hạn (LTP) muộn. Điều này xác nhận ý tưởng ban đầu: các nguyên tắc phân tử của trí nhớ được bảo tồn qua hàng trăm triệu năm tiến hoá.
Giải Nobel năm 2000
Năm 2000, Hội đồng Nobel tại Viện Karolinska (Thuỵ Điển) trao giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học cho ba nhà khoa học vì những khám phá về "truyền tín hiệu trong hệ thần kinh":
- Arvid Carlsson (Thuỵ Điển): phát hiện dopamine là chất dẫn truyền thần kinh và vai trò của nó trong bệnh Parkinson.
- Paul Greengard (Mỹ): làm rõ cách dopamine và các chất dẫn truyền khác tác động bên trong tế bào qua chuỗi tín hiệu.
- Eric Kandel (Mỹ): làm rõ cơ chế phân tử của sự thay đổi synapse là nền tảng của trí nhớ.
Năm 2006, Kandel xuất bản hồi ký "Đi tìm ký ức" (In Search of Memory), kể song song chuyện đời mình và lịch sử khoa học về trí nhớ. Cuốn sách được đánh giá là một trong những tác phẩm phổ biến khoa học dễ đọc nhất về đề tài này.
Bài học từ con sên cho người học
- Lặp lại có khoảng nghỉ: ở cả sên biển lẫn người, huấn luyện rải ra tạo trí nhớ dài hạn tốt hơn dồn một lượt. Đây là cơ sở sinh học cho lời khuyên ôn bài nhiều buổi cách nhau.
- Trí nhớ dài hạn là thay đổi vật lý: mỗi kỹ năng, kiến thức đã thuộc thật sự để lại dấu vết trong cấu trúc não. Học tập theo đúng nghĩa đen là "xây" bộ não.
- Kiên nhẫn với não: tổng hợp protein và mọc kết nối mới cần thời gian. Không có mẹo nào biến trí nhớ ngắn hạn thành dài hạn chỉ trong một buổi.
Thử ngay
Quan sát hiện tượng "quen dần" trên chính mình: đặt một chiếc đồng hồ có tiếng tích tắc hoặc bật quạt trong phòng khi bạn làm việc. Ghi lại lúc nào bạn thôi để ý tới âm thanh đó. Sau đó tắt đi rồi bật lại đột ngột — bạn sẽ chú ý ngay. Đó là dạng học đơn giản nhất mà Kandel nghiên cứu ở con sên: não thôi phản ứng với tín hiệu lặp lại vô hại, nhưng sẵn sàng phản ứng lại khi có thay đổi.
Góc nhìn hôm nay
Công trình của Kandel đặt nền cho cách hiểu hiện đại về trí nhớ: không phải điều gì huyền bí, mà là thay đổi đo được ở synapse và gen. Nó cũng mở hướng tìm thuốc cho các bệnh suy giảm trí nhớ, dù cho tới nay chưa có loại "thuốc tăng trí nhớ" nào dựa trên các phát hiện này được chứng minh hiệu quả cho người khoẻ mạnh. Người muốn tìm hiểu nên đọc "Đi tìm ký ức" — cuốn sách vừa là hồi ký của một cậu bé chạy khỏi Vienna, vừa là bài giảng nhập môn tuyệt vời về khoa học thần kinh.
Câu hỏi thường gặp
Eric Kandel là ai?
Eric Kandel là nhà khoa học thần kinh người Mỹ gốc Áo, sinh năm 1929 ở Vienna, rời Áo năm 1939. Ông nhận giải Nobel Sinh lý học hoặc Y học năm 2000 nhờ khám phá cơ chế phân tử của trí nhớ.
Vì sao Kandel nghiên cứu sên biển Aplysia?
Vì Aplysia có hệ thần kinh đơn giản, khoảng 20.000 nơ-ron, nhiều nơ-ron rất to và có thể nhận diện riêng từng con. Nhờ đó ông vẽ được mạch thần kinh của một hành vi và theo dõi thay đổi khi con vật học.
Kandel phát hiện điều gì về trí nhớ?
Ông phát hiện trí nhớ ngắn hạn đến từ thay đổi tạm thời các phân tử có sẵn ở synapse, còn trí nhớ dài hạn cần bật gen nhờ CREB, tổng hợp protein mới và tạo thêm synapse.
Giải Nobel Y học năm 2000 trao cho ai?
Giải được trao cho Arvid Carlsson, Paul Greengard và Eric Kandel vì những khám phá về truyền tín hiệu trong hệ thần kinh. Phần của Kandel liên quan cơ chế phân tử của trí nhớ.
Con sên biển thì liên quan gì đến trí nhớ con người?
Các phân tử then chốt Kandel tìm thấy ở sên biển, như cAMP, protein kinase A và CREB, sau đó cũng được xác nhận tham gia trí nhớ dài hạn ở chuột. Điều này cho thấy cơ chế trí nhớ được bảo tồn qua tiến hoá.
