Để sống sót qua mùa đông, loài động vật này đã phải thu nhỏ 20% não bộ

Não là một trong những cơ quan có khả năng trao đổi chất mạnh nhất và nhiều nhất trong cơ thể. Hai thuộc tính này quyết định rằng cấu trúc và chức năng của não phải liên tục thích ứng với những thay đổi về mức độ trao đổi chất của cơ thể để nâng cao cơ hội sống sót của động vật. Những thay đổi thường gặp bao gồm ngủ đông theo mùa và di cư, giao phối.

Hiện tượng Dehnel (Dehnel phenomenon) là hiện tượng đáng ngạc nhiên nhất trong số đó. Trong môi trường khắc nghiệt của mùa đông, bộ não của chuột chù đã có những thay đổi khiến cho giới khoa học cảm thấy hết sức ngạc nhiên.

Robert Naumann, nhà nghiên cứu tại Viện Nhận thức não và Bệnh não, Viện Công nghệ cao Thâm Quyến, Học viện Khoa học Trung Quốc đã dẫn đầu một nhóm nghiên cứu và cùng các nhà khoa học từ Đức và Israel tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc não của chuột chù Suncus etruscus.

Sự thay đổi theo mùa về não bộ của loài động vật này giải thích hiện tượng thực nghiệm rằng tế bào thần kinh trong vỏ não của động vật sẽ bị ức chế bởi các tín hiệu xúc giác vào mùa đông.

Kết quả nghiên cứu gần đây đã được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và được chọn làm trang bìa.

Được tìm thấy từ vùng Địa Trung Hải đến Malaysia, loài chuột chù Suncus etruscus chỉ có chiều dài cơ thể từ 36mm - 53mm, không tính phần đuôi. Đây là động vật có vú nhỏ nhất thế giới nếu tính theo trọng lượng cơ thể, trung bình chỉ có 1,8g.

Suncus etruscus là loài động vật có vú trên cạn nhỏ nhất với trọng lượng chỉ 2 gam, chúng phân bố chủ yếu ở các vùng cận nhiệt đới và ôn đới của Á Âu, từ 10 đến 40 độ vĩ bắc. Kích thước nhỏ nhắn của chúng đã dẫn đến một hệ quả chính là tỷ lệ trao đổi chất cao và không thể tích trữ năng lượng như các loài động vật khác.

Để thích nghi với môi trường sống hoạt động vào ban đêm, loài chuột chù này đã tiến hóa để có thể ngủ đông vào ban ngày và hình thành hiện tượng Dehnel vào mùa đông.

Để khám phá hiện tượng Dehnel, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân, lai tại chỗ và các công nghệ khác để theo dõi từ giải phẫu tổng thể đến cấp độ tế bào, từ theo dõi hành vi đến hoạt động của tế bào thần kinh vỏ não và làm rõ những thay đổi trong cấu trúc của tế bào thần kinh vỏ não của chúng trong mùa đông và mùa hè.

Các thành viên trong nhóm từ lâu đã theo dõi nhiều cấu trúc não của chuột chù Suncus etruscus thông qua MRI và phát hiện ra rằng vỏ não là cấu trúc quan trọng nhất trong hiện tượng này. Độ dày vỏ não của chuột chù Suncus etruscus vào mùa đông thấp hơn khoảng 10% so với mùa hè.

Do tầm nhìn kém của chuột chù Suncus etruscus nên chúng chủ yếu định vị con mồi thông qua bộ râu rất nhạy cảm của nó. Nghiên cứu sơ bộ cho thấy chuột chù Suncus etruscus là một thợ săn bậc thầy, chúng chỉ mất vài trăm mili giây để có thể giết chết con mồi sau khi đưa chúng vào tầm ngắm.

Dựa trên hiện tượng trên, nhóm nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu vào vỏ não somatosensory của loài chuột này. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng lớp thứ tư của tế bào thần kinh trong vỏ não somatosensory ở loài này có nhu cầu chuyển hóa năng lượng cao nhất, và sẽ giảm 28% độ dày vào mùa đông, trong khi độ dày của các lớp con khác có sự thay đổi không đáng kể.

Trong lớp thứ tư của vỏ não có một loại tế bào thần kinh trung gian Parvalbumin (tế bào thần kinh PV), chức năng chính của loại tế bào thần kinh này là ức chế hoạt động của tế bào thần kinh ngoại vi. Theo quá trình nhuộm các lát cắt não, số lượng tế bào thần kinh PV ở loài động vật này vào mùa đông sẽ ít hơn so với mùa hè, điều này đã cung cấp dữ liệu giải phẫu hỗ trợ cho kết quả nghiên cứu.

Loài chuột này liên tục tìm thức ăn để giữ ấm cơ thể. Một khi không đủ thức ăn, nó sẽ lạnh và rơi vào trạng thái ngủ đông, lúc này nhiệt độ cơ thể hạ xuống khoảng còn khoảng 12 độ C.

Phản ứng của tế bào thần kinh đối với các tín hiệu xúc giác có thể được chia thành ba loại: kích hoạt, ức chế hoặc không phản hồi. Thông qua các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu liên tục tìm hiểu về bộ râu của loài chuột này và ghi lại tín hiệu canxi của tế bào thần kinh vỏ não cũng như định lượng phản ứng của tế bào thần kinh đối với kích thích xúc giác.

Bằng cách so sánh các thí nghiệm trong mùa thu và mùa đông với các thí nghiệm trong mùa xuân và mùa hè, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng vào mùa đông, loài chuột chù này có nhiều tế bào thần kinh được kích hoạt bằng tín hiệu xúc giác hơn. Nó phù hợp với dữ liệu giải phẫu cho thấy các tế bào thần kinh PV tăng lên vào mùa xuân và mùa hè. Tỷ lệ tế bào thần kinh trong tế bào bị ức chế bởi kích thích xúc giác tăng gấp 2 đến 3 lần vào mùa thu và mùa đông.

Khi thức ăn đầy đủ, loài chuột này thích săn những con dế và sâu. Nhưng khi khan hiếm thức ăn, chúng sẽ săn những loài bọ cánh cứng để xoa dịu cơn đói.

Nghiên cứu này đã lấp đầy những lỗ hổng trong nghiên cứu về sự thay đổi theo mùa trong hệ thần kinh của động vật. Thông qua việc theo dõi dài hạn các cá thể riêng lẻ và ghi chép qua các năm của các động vật trong nhóm, nó cho thấy sự khác biệt trong vỏ não của động vật ở cấp độ tế bào, cấp độ sinh lý và giải phẫu chung.

Đồng thời, sự thay đổi thích ứng lâu dài này của hệ thần kinh cũng có thể được coi là biểu hiện của sự dẻo dai thần kinh.