Tín hiệu thần kinh chạy nhanh cỡ nào: vai trò của bao myelin

Tín hiệu thần kinh chạy nhanh hay chậm tuỳ loại sợi: sợi có bao myelin dày truyền tới khoảng 100 m/s hoặc hơn một chút, tức khoảng 360 km/h, còn sợi không có myelin chỉ 0,5–2 m/s, chậm ngang bước đi bộ. Bao myelin là lớp vỏ mỡ cách điện quấn quanh sợi thần kinh, buộc tín hiệu "nhảy cóc" qua các khe hở thay vì bò dọc từng milimét. Nhờ nó, một tín hiệu đi từ ngón chân lên tuỷ sống chỉ mất khoảng một phần trăm giây.

Tín hiệu thần kinh không phải dòng điện trong dây đồng

Hay có người ví dây thần kinh với dây điện. Hình ảnh ấy dễ hiểu nhưng sai ở điểm quan trọng nhất. Trong dây đồng, điện truyền gần với tốc độ ánh sáng. Trong sợi thần kinh, tín hiệu là một làn sóng thay đổi điện thế chạy dọc màng tế bào, gọi là điện thế hoạt động.

Ở trạng thái nghỉ, bên trong tế bào thần kinh mang điện âm so với bên ngoài. Khi bị kích thích đủ mạnh, các kênh natri trên màng mở ra trong tích tắc, ion natri tràn vào, điện thế đảo chiều thành dương. Ngay sau đó kênh kali mở, ion kali đi ra, điện thế trở lại âm. Vùng vừa "đảo chiều" kích hoạt vùng bên cạnh, cứ thế làn sóng lan dọc sợi trục. Mỗi đoạn phải tự "tái tạo" tín hiệu, như một hàng người chuyền tay nhau xô nước. Việc chuyền tay ấy tốn thời gian, nên tín hiệu thần kinh chậm hơn điện trong dây hàng triệu lần.

Hermann von Helmholtz là người đầu tiên đo được tốc độ này, năm 1850, trên dây thần kinh ếch. Con số chậm đến bất ngờ của ông đã mở đường cho cả ngành đo thời gian phản ứng.

Bao myelin: lớp vỏ làm tín hiệu "nhảy cóc"

Nhiều sợi thần kinh ở động vật có xương sống được quấn bởi nhiều vòng màng tế bào giàu chất béo, gọi là bao myelin. Ở hệ thần kinh ngoại biên, tế bào Schwann làm việc này; trong não và tuỷ sống là tế bào ít nhánh (oligodendrocyte), mỗi tế bào có thể quấn cho nhiều sợi trục cùng lúc.

Bao myelin không phủ liền một mạch. Cứ khoảng một đoạn ngắn (thường dưới hai milimét) lại có một khe hở nhỏ, gọi là eo Ranvier, theo tên nhà mô học Pháp Louis-Antoine Ranvier mô tả vào thế kỷ 19. Kênh natri tập trung dày đặc ở các eo này. Dưới lớp myelin, dòng điện không rò ra ngoài được, nên nó chạy rất nhanh bên trong sợi tới eo kế tiếp, kích hoạt eo ấy, rồi lại chạy tiếp. Tín hiệu như nhảy từ eo này sang eo khác. Các nhà sinh lý học gọi đây là dẫn truyền nhảy cóc (saltatory conduction).

Lợi ích không chỉ là tốc độ. Vì chỉ các eo phải làm việc, cơ thể đỡ tốn năng lượng bơm ion trở lại sau mỗi tín hiệu.

Sợi to, sợi nhỏ, có vỏ, không vỏ

Hai yếu tố quyết định tốc độ: đường kính sợi trục và có bao myelin hay không. Sợi càng to và vỏ càng tốt thì càng nhanh.

Hãy hình dung sự chênh lệch qua một quãng đường một mét, gần bằng khoảng cách từ ngón chân lên tuỷ sống của người lớn: sợi nhanh mất khoảng 10 ms, sợi chậm nhất mất tới nửa giây hoặc hơn. Chính sự chênh này tạo ra hiện tượng "đau hai đợt" khi vấp ngón chân, được giải thích kỹ ở bài về đau nhói và đau âm ỉ.

Động vật không có myelin thì làm sao

Các loài không xương sống như mực, tôm giải bài toán tốc độ theo cách khác: làm sợi trục cực to. Mực ống có những sợi trục khổng lồ, đường kính có thể tới khoảng một milimét, gấp hàng trăm lần sợi trục thông thường ở người, điều khiển cú co thân để phụt nước bỏ chạy. Chính những sợi trục khổng lồ này đã giúp Alan Hodgkin và Andrew Huxley làm các thí nghiệm kinh điển đầu thập niên 1950, giải thích cơ chế điện thế hoạt động. Hai ông nhận giải Nobel năm 1963 cùng John Eccles.

Cách làm sợi to có giới hạn: muốn nhanh thêm một ít phải to lên rất nhiều. Một tuỷ sống toàn sợi trục to như của mực sẽ to không thể chứa nổi. Bao myelin cho phép động vật có xương sống có những sợi mảnh mà vẫn nhanh, nhét được hàng triệu sợi vào một bó thần kinh nhỏ.

Synap: những trạm dừng tốn thời gian

Tín hiệu không chỉ chạy dọc một tế bào. Nó phải được chuyển từ tế bào này sang tế bào khác qua synap. Ở hầu hết synap trong não, tín hiệu điện được đổi thành chất hoá học (chất dẫn truyền thần kinh), chất này khuếch tán qua một khe rất hẹp và gắn vào tế bào bên kia, rồi lại được đổi thành tín hiệu điện. Mỗi lần như vậy tốn khoảng nửa tới một mili giây.

Nghe thì ít, nhưng một ý nghĩ hay một phản ứng có ý thức phải đi qua rất nhiều trạm như vậy, nối tiếp nhau và song song. Cộng thêm thời gian tích luỹ tín hiệu ở mỗi tế bào, đó là lý do phản ứng có ý thức mất vài trăm mili giây dù dây dẫn có nhanh tới đâu.

Myelin thay đổi qua đời người

Trẻ sơ sinh có ít myelin. Quá trình bọc myelin, gọi là myelin hoá, diễn ra mạnh trong vài năm đầu đời và tiếp tục ở các vùng não phía trước tới tận khoảng tuổi hai mươi, thậm chí lâu hơn. Đây là một trong những lý do trẻ nhỏ phản ứng chậm và kém đều hơn người lớn.

Những năm gần đây, các nghiên cứu hình ảnh não còn gợi ý myelin không phải thứ đã xây xong là đứng yên: việc học một kỹ năng mới, như tập đàn hay tung hứng, đi kèm thay đổi đo được ở chất trắng. Đây là một hướng nghiên cứu còn mới, nhiều câu hỏi chưa có lời đáp rõ ràng, nên đừng tin những lời hứa kiểu "ăn món này để tăng myelin".

Khi myelin bị tổn thương, tín hiệu chậm lại, đứt quãng hoặc rò sang sợi bên cạnh. Bệnh đa xơ cứng là ví dụ được biết nhiều nhất: hệ miễn dịch tấn công myelin trong não và tuỷ sống, gây ra những triệu chứng như nhìn mờ một mắt, tê bì, yếu cơ, mất thăng bằng. Bác sĩ có thể đo tốc độ dẫn truyền thần kinh bằng máy điện cơ để tìm ra đoạn dây bị tổn thương.

Góc nhìn hôm nay: tự cảm nhận độ trễ của dây thần kinh

Một thí nghiệm nhỏ: nhắm mắt, nhờ người khác chạm cùng lúc vào mũi và ngón chân bạn. Nhiều người vẫn cảm thấy hai cái chạm "cùng lúc", dù tín hiệu từ ngón chân phải đi xa hơn cả mét và tới não muộn hơn vài chục mili giây. Não đã tự bù trừ, chuyện được bàn kỹ ở bài về cái "bây giờ" ta cảm thấy.

Nên đi khám nếu bạn thấy tê bì, kiến bò hay yếu cơ kéo dài, đặc biệt khi chỉ ở một bên, hay nhìn mờ một mắt kèm đau khi đảo mắt. Đó có thể là dấu hiệu của tổn thương thần kinh cần được bác sĩ đánh giá. Ở nhiều bệnh viện lớn, đo điện cơ và đo dẫn truyền thần kinh là xét nghiệm thường quy, không đau đớn đáng kể.