Hôm nay là ngày voi thế giới. Ở đây, một cái nhìn về cách cấu trúc não độc đáo - khác với các loài động vật có vú khác - chịu trách nhiệm cho voi về khả năng đặc biệt trong học tập và trí nhớ.
Con voi đực châu Phi. Hình ảnh qua Michelle Gadd / USFWS.
Bởi Bob Jacobs, Đại học Colorado
Các nhà bảo tồn đã chỉ định ngày 12 tháng 8 là Ngày Voi thế giới để nâng cao nhận thức về việc bảo tồn những động vật hùng vĩ này. Voi có nhiều đặc điểm hấp dẫn, từ thân cây cực kỳ khéo léo đến khả năng ghi nhớ và đời sống xã hội phức tạp.
Nhưng có rất ít thảo luận về bộ não của họ, mặc dù có lý do rằng một động vật lớn như vậy có bộ não khá lớn (khoảng 12 pounds). Thật vậy, cho đến gần đây rất ít người thực sự biết về bộ não voi, một phần vì việc có được mô được bảo quản tốt phù hợp cho nghiên cứu kính hiển vi là vô cùng khó khăn.
Cánh cửa đó đã được mở ra bởi những nỗ lực tiên phong của nhà thần kinh học Paul Manger tại Đại học Witwatersrand ở Nam Phi, người đã xin phép vào năm 2009 để trích xuất và bảo tồn bộ não của ba con voi châu Phi dự kiến sẽ bị hủy bỏ như một phần của quản lý dân số lớn hơn chiến lược. Do đó, chúng ta đã học được nhiều hơn về bộ não voi trong 10 năm qua hơn bao giờ hết.
Nghiên cứu được chia sẻ ở đây được thực hiện tại Colorado College vào năm 2009-2011 với sự hợp tác của Paul Manger, nhà nhân chủng học Chet Sherwood và nhà thần kinh học Patrick Hof thuộc Trường Y khoa Icahn ở Mount Sinai. Mục tiêu của chúng tôi là khám phá hình dạng và kích thước của các tế bào thần kinh trong vỏ voi.
Nhóm phòng thí nghiệm của tôi từ lâu đã quan tâm đến hình thái, hay hình dạng của các tế bào thần kinh trong vỏ não của động vật có vú. Vỏ não tạo thành lớp tế bào thần kinh mỏng, bên ngoài (tế bào thần kinh) bao phủ hai bán cầu não. Nó liên quan chặt chẽ với các chức năng nhận thức cao hơn như phối hợp tự nguyện, tích hợp thông tin cảm giác, học tập văn hóa xã hội và lưu trữ ký ức xác định một cá nhân.
Những hình ảnh này minh họa quá trình loại bỏ một phần nhỏ vỏ não từ bán cầu não phải của voi. Mô này được nhuộm và đặt trên một phiến kính để dưới kính hiển vi, người ta có thể nhìn thấy các nơ-ron riêng lẻ và theo dõi chúng theo ba chiều. Hình ảnh qua Robert Jacobs.
Sự sắp xếp và hình thái của các tế bào thần kinh trong vỏ não tương đối đồng đều giữa các loài động vật có vú - hay chúng tôi nghĩ sau nhiều thập kỷ điều tra về bộ não linh trưởng của con người và phi nhân loại, và bộ não của loài gặm nhấm và mèo. Như chúng ta đã tìm thấy khi chúng ta có thể phân tích bộ não của voi, hình thái của các tế bào thần kinh vỏ voi hoàn toàn khác với bất cứ thứ gì chúng ta từng quan sát trước đây.
Làm thế nào tế bào thần kinh được hình dung và định lượng
Quá trình khám phá hình thái tế bào thần kinh bắt đầu bằng việc nhuộm mô não sau khi nó đã được cố định (bảo quản hóa học) trong một khoảng thời gian. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi sử dụng một kỹ thuật trên 125 tuổi được gọi là vết Golgi, được đặt theo tên của nhà sinh vật học người Ý và người đoạt giải Nobel Camillo Golgi (1843-1926).
Phương pháp này đặt nền tảng của khoa học thần kinh hiện đại. Ví dụ, nhà thần kinh học người Tây Ban Nha và người đoạt giải Nobel Santiago Ramon y Cajal (1852-1934) đã sử dụng kỹ thuật này để cung cấp một bản đồ đường đi về hình dạng của các tế bào thần kinh và cách chúng được kết nối với nhau.
Vết Golgi chỉ thấm một tỷ lệ nhỏ tế bào thần kinh, cho phép các tế bào riêng lẻ xuất hiện tương đối biệt lập với nền rõ ràng. Điều này cho thấy các sợi nhánh, hoặc các nhánh, tạo thành diện tích bề mặt tiếp nhận của các tế bào thần kinh này. Giống như các nhánh trên cây mang lại ánh sáng cho quá trình quang hợp, các sợi nhánh của tế bào thần kinh cho phép tế bào nhận và tổng hợp thông tin đến từ các tế bào khác. Độ phức tạp của các hệ thống đuôi gai càng lớn, càng nhiều thông tin mà một nơron cụ thể có thể xử lý.
Một khi chúng ta nhuộm các nơ-ron, chúng ta có thể theo dõi chúng theo ba chiều dưới kính hiển vi, với sự trợ giúp của máy tính và phần mềm chuyên dụng, cho thấy hình dạng phức tạp của các mạng nơ-ron. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tìm ra 75 tế bào thần kinh voi. Mỗi lần theo dõi mất từ một đến năm giờ, tùy thuộc vào độ phức tạp của tế bào.
Tế bào thần kinh voi trông như thế nào
Ngay cả sau khi thực hiện loại nghiên cứu này trong nhiều năm, vẫn rất thú vị khi nhìn vào mô dưới kính hiển vi lần đầu tiên. Mỗi vết là một bước đi qua một khu rừng thần kinh khác nhau. Khi chúng tôi kiểm tra các phần mô voi, rõ ràng kiến trúc cơ bản của vỏ voi khác với bất kỳ động vật có vú nào khác đã được kiểm tra cho đến nay - bao gồm cả họ hàng gần nhất của nó, manatee và hyrax đá.
Tracings của tế bào thần kinh phổ biến nhất (tế bào thần kinh hình chóp) trong vỏ não của một số loài. Lưu ý rằng con voi có đuôi gai phân nhánh rộng rãi, trong khi tất cả các loài khác có đuôi gai đơn lẻ, tăng dần. Thanh tỷ lệ = 100 micromet (hoặc 0,004 inch). Hình ảnh qua Bob Jacobs.
Dưới đây là ba điểm khác biệt chính mà chúng tôi tìm thấy giữa các tế bào thần kinh vỏ não ở voi và những loài được tìm thấy ở các động vật có vú khác.
Đầu tiên, tế bào thần kinh vỏ não chiếm ưu thế ở động vật có vú là tế bào thần kinh hình chóp. Chúng cũng nổi bật trong vỏ voi, nhưng chúng có cấu trúc rất khác nhau. Thay vì có một đuôi gai duy nhất thoát ra khỏi đỉnh của tế bào (được gọi là đuôi gai), đuôi gai ở voi thường phân nhánh rộng rãi khi chúng bay lên trên bề mặt của não. Thay vì một nhánh dài, đơn lẻ như một cây linh sam, dendrite voi giống như hai cánh tay của con người vươn lên.
Một loạt các tế bào thần kinh vỏ não ở voi hiếm khi được quan sát thấy ở vỏ của các động vật có vú khác. Lưu ý rằng tất cả chúng được đặc trưng bởi các sợi nhánh lan ra từ thân tế bào, đôi khi trên một khoảng cách đáng kể. Thanh tỷ lệ = 100 micromet (hoặc 0,004 inch). Hình ảnh qua Bob Jacobs.
Thứ hai, voi thể hiện nhiều loại tế bào thần kinh vỏ não rộng hơn nhiều so với các loài khác. Một số trong số này, chẳng hạn như tế bào thần kinh hình chóp phẳng, không được tìm thấy ở các động vật có vú khác. Một đặc điểm của các tế bào thần kinh này là đuôi gai của chúng kéo dài ra từ cơ thể tế bào trong khoảng cách xa. Nói cách khác, giống như các đuôi gai của các tế bào hình chóp, các đuôi gai này cũng vươn ra như cánh tay của con người nâng lên trời.
Thứ ba, chiều dài tổng thể của các sợi nhánh thần kinh hình chóp ở voi tương đương với ở người. Tuy nhiên, chúng được sắp xếp khác nhau. Các tế bào thần kinh hình chóp của con người có xu hướng có một số lượng lớn các nhánh ngắn hơn, trong khi con voi có số lượng nhánh nhỏ dài hơn nhiều. Trong khi các tế bào thần kinh hình chóp linh trưởng dường như được thiết kế để lấy mẫu đầu vào rất chính xác, cấu hình đuôi gai ở voi cho thấy rằng đuôi gai của chúng lấy mẫu rất nhiều đầu vào từ nhiều nguồn.
Khi kết hợp với nhau, những đặc điểm hình thái này cho thấy các tế bào thần kinh ở vỏ voi có thể tổng hợp nhiều loại đầu vào hơn so với các tế bào thần kinh vỏ não ở các động vật có vú khác.
Về mặt nhận thức, các đồng nghiệp của tôi và tôi tin rằng mạch vỏ não tích hợp ở voi hỗ trợ cho ý tưởng rằng chúng thực chất là động vật chiêm nghiệm. Bộ não linh trưởng, bằng cách so sánh, dường như chuyên biệt cho việc ra quyết định nhanh chóng và phản ứng nhanh với các kích thích môi trường.
Một con voi ma đầu không có vòi cho thấy lòng tốt đối với những con voi mồ côi trẻ đang cố gắng tìm đường trong bụi cây Kenya.
Các quan sát về voi trong môi trường sống tự nhiên của chúng bởi các nhà nghiên cứu như Tiến sĩ Joyce Poole cho thấy voi thực sự là những sinh vật chu đáo, tò mò và đáng suy ngẫm. Bộ não lớn của họ, với một tập hợp các nơ-ron phức tạp, liên kết với nhau như vậy, dường như cung cấp nền tảng thần kinh cho khả năng nhận thức tinh vi của voi, bao gồm giao tiếp xã hội, xây dựng và sử dụng công cụ, giải quyết vấn đề sáng tạo, thấu cảm và tự nhận thức, bao gồm cả lý thuyết của tôi.
Điểm mấu chốt: Các tế bào truyền xung thần kinh trong bộ phận của voi Bộ não chịu trách nhiệm về các chức năng như học tập và trí nhớ được cấu trúc khác với bất kỳ động vật có vú nào khác.
Bob Jacobs, Giáo sư Khoa học thần kinh, Đại học Colorado
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc hội thoại. Đọc bài viết gốc.