Giấc ngủ giúp “quét dọn” não

Nếu bạn từng bị mất ngủ, bạn sẽ biết cảm giác đầu óc mơ màng, mụ mị.

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science ngày 3 tháng 4 đưa ra bằng chứng về cảm giác mơ hồ đó – protein tích lũy trong não của những con ruồi giấm mất ngủ và nồng độ protein giảm ở những con ruồi được nghỉ ngơi đầy đủ. Protein này nằm trong các khớp thần kinh, một phần của nơron thần kinh cho phép các tế bào não liên lạc với các nơron thần kinh khác. Các nhà nghiên cứu tuộc Đại học Y tế cộng đồng Wisconsin-Madison tin rằng đó là minh chứng cho lý thuyết “điều bình khớp thần kinh”. Đây là ý tưởng cho rằng các khớp thần kinh sẽ khỏe hơn khi chúng ta thức vì chúng ta luôn luôn học hỏi và thích nghi với môi trường, và giấc ngủ sẽ đưa khiến các khớp thần kinh yếu đi. Điều này rất quan trọng vì khớp thần kinh lớn hơn sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng, chiếm nhiều không gian và cần nhiều các nguồn cung cấp, bao gồm protein kể trên.

Giấc ngủ - qua việc cho phép thu nhỏ khớp thần kinh – giúp tiết kiệm năng lượng, không gian và vật liệu đồng thời làm sạch những “tiếng ồn” không cần thiết từ ngày hôm trước. Từ đó, não của chúng ta sẽ sẵn sàng để tiếp tục nạp thêm thông tin mới vào ngày hôm sau.

Các nhà nghiên cứu - Giorgio Gilestro, Giulio Tononi và Chiara Cirelli thuộc Trung tâm nghiên cứu giấc ngủ và ý thức – phát hiện rằng nồng độ của protein chứa thông điệp trong các khớp thần kinh giữa các nơron giảm từ 30 đến 40% khi ngủ.

Trong bài báo trên Science, những bức ảnh 3 chiều sử dụng kính hiển vi cùng tiêu điểm cho thấy não của ruồi giấm mất ngủ chứa đầy protein khớp thần kinh, gọi là Bruchpilot (BRP), một thành phần của của hệ thống não cho phép các nơron liên lạc với nhau. Ở những con ruồi được nghỉ ngơi đầy đủ, nồng độ BRP và 4 loại protein khớp thần kinh khác quay trở lại nồng độ thấp hơn, cho thấy giấc ngủ tái khởi động não để có thể thu nạp thêm kiến thức và thông tin vào ngày hôm sau.

Cirelli, giáo sư về tâm thần học, cho biết: “Chúng tôi biết rằng giấc ngủ rất cần thiết để não của chúng ta có thể hoạt động bình thường, học thêm những điều mới hàng ngày, và đồng thời, trong một số trường hợp, tổng hợp những gì chúng ta thu nạp trong một ngày. Khi ngủ, chúng tôi cho rằng hầu hết, nếu không phải tất cả, các khớp thần kinh được thu nhỏ lại. Cuối giấc ngủ, khớp thần kinh khỏe nhất thu nhỏ lại, trong khi khớp thần kinh yếu nhất thậm chí biến mất”.

Quan sát bằng kính hiển vi cùng tiêu điểm cho thấy quá trình này diễn ra ở 3 phần chính của não ruồi giấm liên quan đến khả năng học hỏi.

Bên trái, não của ruồi được nghỉ ngơi đầy đủ có nồng độ protein BRP cao. Bên phải, não của ruồi mất ngủ có màu cam ở khu vực tập trung BRP. (Bruchpilot hoạc BRP là protein có nhiệm vụ giữ liên lạc giữa các nơron thần kinh). Ở ruồi mệt mỏi, protein này có nồng độ cao ở 3 khu vực chính trong não ruồi liên quan đến khả năng học hỏi. Ngủ sẽ là giảm nồng độ của protein này, có nghĩa rằng các khớp thần kinh nhỏ hơn và yếu hơn. Chu trình này gọi là “tái sắp xếp”, để não được đưa trở về mức độ hoạt động thần kinh bình thường và bắt đầu tiếp nạp kiến thức vào ngày hôm sau. (Ảnh: UW Health Public Affairs).

Trong bài báo được công bố năm ngoái, Tononi, Cirelli và các đồng tác giả phát hiện những thay đổi hóa học tương tự trong khớp thần kinh của não chuột. Họ cũng cho thấy não của chuột có phản ứng mạnh hơn đối với kích thích điện sau khi thức, và phản ứng yếu hơn sau khi ngủ. Phát hiện đó cung cấp thêm bằng chứng, sử dụng kỹ thuật điện sinh lý học chứ không phải kỹ thuật phần tử, phù hợp với ý tưởng rằng khớp thần kinh trở nên khỏe hơn vào ban ngày, và yếu hơn khi ngủ. Vì giấc ngủ có chức năng tương tự ở các loài vật khác nhau như chuột và ruồi giấm, Cirelli cho biết đặc điểm này được tiến hóa duy trì, và có ý nghĩa quan trọng đối với sức khỏe và khả năng sống sót của một loài vật.

Phòng thí nghiệm Wisconsin là nơi tiên phong trong những phương pháp nghiên cứu giấc ngủ ở những loài vật khác nhau, bao gồm ruồi giấm.

Để giữ những con ruồi tỉnh táo, các nhà nghiên cứu đưa chúng vào một “máy kích thích” chứa 10 đĩa, một đĩa chứa 32 con ruồi. Một cánh tay robot thỉnh thoảng lắc các đĩa để giữ những con ruồi tỉnh táo.

Những con ruồi mất ngủ ít nhất trong 24 tiếng. Các nhà nghiên cứu sau đó kiểm tra não của chúng và đo nồng độ của 4 loại protein tiền khớp thần kinh và 1 protein hậu khớp thần kinh. Kết quả cho thấy nồng độ protein tăng nhanh chóng khi ruồi tỉnh táo và giảm sau khi ngủ. Các thí nghiệm khác khẳng định rằng sự thay đổi nồng độ protein không phải do sự tiếp xúc với ánh sáng và bóng tối hoặc kích thích, mà do ngủ và thức. Họ cũng sử dụng kính hiển vi cùng tiêu điểm và kháng thể có khả năng nhận biết BRP để xác định sự biểu hiện của protein này ở những phần não khác nhau của ruồi giấm.

Nồng độ protein khớp thần kinh cao hơn khi thức có thể là dấu hiệu của những trải nghiệm ngẫu nhiên được nhồi vào não hàng ngày, và cần được xóa sạch để tạo khoảng trống cho học hỏi và những ký ức thực sự quan trọng.

Cirelli cho biết: “Hầu hết những gì chúng ta học trong một ngày, chúng ta không thực sự cần phải nhớ. Nếu sử dụng hết không gian sẵn có trong não, bạn không thể học thêm được gì cho đến khi bạn xóa sạch những gì không cần thiết”.

Tham khảo:
Giorgio F. Gilestro, Giulio Tononi, and Chiara Cirelli. Widespread Changes in Synaptic Markers as a Function of Sleep and Wakefulness in Drosophila. Science, 2009; 324 (5923): 109 DOI: 10.1126/science.1166673