Dũng Virgo
Bộ não con người thường được nhìn nhận như một cơ quan thống nhất, nhưng quá trình hình thành của nó có thể bắt đầu từ hai hệ thống thần kinh tách biệt. Một nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Stanford dẫn đầu cho thấy não trước và não giữa có nguồn gốc phát triển khác với não sau.
Phát hiện này không có nghĩa não người hiện nay gồm hai cơ quan hoạt động độc lập. Thay vào đó, nó gợi ý rằng trong lịch sử tiến hóa rất xa xưa, hai chương trình phát triển thần kinh đã được đưa lại gần nhau, kết nối và trở thành một bộ não thống nhất ở động vật có xương sống.
Hai dòng tế bào tạo nên các vùng não khác nhau
Trong giai đoạn phát triển phôi, các tế bào tiền thân thần kinh dần biệt hóa để hình thành nhiều vùng của hệ thần kinh trung ương. Quan điểm phổ biến trước đây cho rằng một quần thể tế bào ban đầu có thể phát triển thành não trước, não giữa hoặc não sau tùy thuộc vào các tín hiệu phân tử mà chúng nhận được.
Cách hiểu này cũng ảnh hưởng đến nhiều nghiên cứu sử dụng tế bào gốc. Các nhà khoa học thường bắt đầu với một nhóm tế bào thần kinh tương đối giống nhau, sau đó bổ sung những tín hiệu phát triển để hướng chúng tới một vùng não cụ thể.
Tuy nhiên, nhóm Stanford nhận thấy sự phân chia về nguồn gốc có thể xảy ra sớm hơn dự kiến. Ở phôi chuột khoảng 7,5 ngày sau thụ thai, họ phát hiện hai quần thể tế bào tiền thân thần kinh không chồng lấn rõ ràng.
- Một nhóm kích hoạt gene Otx2, sau đó đóng góp vào não trước và não giữa.
- Nhóm còn lại kích hoạt gene Gbx2, phát triển theo hướng tạo nên não sau.
Việc theo dõi dòng tế bào bằng kỹ thuật di truyền cho thấy hậu duệ của nhóm mang dấu hiệu Gbx2 vẫn chủ yếu giới hạn trong não sau. Điều này cho thấy danh tính phát triển của tế bào đã được xác lập khá sớm, thay vì hoàn toàn phụ thuộc vào những tín hiệu xuất hiện ở các giai đoạn sau.
Tế bào không dễ chuyển sang “vai trò” khác
Để kiểm tra kết quả trên người, các nhà nghiên cứu tái tạo hai trạng thái phát triển bằng tế bào gốc đa năng. Khi được cung cấp những tín hiệu hướng chúng tới một vùng não không phù hợp với nguồn gốc ban đầu, phần lớn tế bào vẫn chống lại sự chuyển đổi.
Nói cách khác, một tế bào đã đi theo chương trình phát triển của não trước hoặc não giữa không dễ bị biến thành tế bào não sau chỉ bằng cách thay đổi môi trường hóa học. Sự khác biệt này không chỉ nằm ở hoạt động của gene mà còn thể hiện trong chất nhiễm sắc.
Chất nhiễm sắc là cấu trúc phân tử giúp đóng gói DNA và kiểm soát gene nào có thể được tiếp cận. Trong thí nghiệm, cấu trúc này đã mang những thay đổi tương ứng với danh tính tương lai của tế bào. Đây là bằng chứng cho thấy hai nhóm tiền thân thần kinh có thể đã được lập trình theo hai hướng riêng biệt từ rất sớm.
Não vẫn là một cơ quan thống nhất về chức năng, nhưng có thể được xây dựng từ hai chương trình phát triển khác nhau rồi kết nối với nhau.
Phát hiện này cũng giúp giải thích vì sao một số nỗ lực trước đây trong việc tạo tế bào thần kinh não sau từ tế bào tiền thân não trước hoặc não giữa gặp nhiều khó khăn. Vấn đề có thể không chỉ nằm ở việc thiếu tín hiệu phù hợp, mà còn ở chỗ nhóm tế bào ban đầu vốn không có cùng nguồn gốc phát triển.
Dấu vết tiến hóa có thể xuất hiện từ hơn 500 triệu năm trước
Điểm đáng chú ý của nghiên cứu là mô hình hai chương trình phát triển thần kinh không chỉ được quan sát ở chuột và người. Nhóm nghiên cứu còn tìm thấy những điểm tương đồng ở khỉ macaque, gà, cá ngựa vằn và giun acorn.
Giun acorn là động vật không xương sống sống ở biển. Nhóm này có chung tổ tiên với con người từ khoảng 550-600 triệu năm trước. Việc phát hiện các chương trình phát triển thần kinh phía trước và phía sau tương tự ở giun acorn gợi ý rằng sự phân chia này có thể đã xuất hiện rất sớm trong lịch sử của các loài động vật có cơ thể đối xứng hai bên.
Sứa cung cấp một manh mối xa hơn, dù mối liên hệ này vẫn chỉ là giả thuyết. Dòng tiến hóa của sứa tách khỏi dòng dẫn tới con người khoảng 600-700 triệu năm trước. Một số loài sứa có hai hệ thống thần kinh phân bố ở những vị trí khác nhau trên cơ thể.
Từ các dữ liệu so sánh, nhóm Stanford đưa ra kịch bản tiến hóa: hai hệ thống thần kinh ban đầu tồn tại riêng biệt, sau đó dần được đưa lại gần nhau về mặt không gian. Qua hàng trăm triệu năm, chúng trở thành một hệ thống tích hợp nhưng vẫn giữ lại dấu vết của hai chương trình phát triển ban đầu.
Đây là một giả thuyết về nguồn gốc tiến hóa, không phải kết luận rằng não người hiện đại vẫn gồm hai bộ phận độc lập. Hai vùng não ngày nay liên kết chặt chẽ và phối hợp trong nhiều hoạt động, từ vận động, cảm giác đến kiểm soát các chức năng sống.
Khả năng tạo tế bào não sau mở ra hướng nghiên cứu bệnh
Nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa đối với sinh học tiến hóa. Nhóm Stanford còn sử dụng bản đồ phát triển mới để tạo ra các tế bào thần kinh vận động thuộc não sau của người từ tế bào gốc đa năng.
Thay vì cố gắng biến tế bào tiền thân của não trước hoặc não giữa thành tế bào não sau, các nhà khoa học trực tiếp tạo ra tiền thân thần kinh phía sau bằng một tổ hợp tín hiệu phát triển khác. Sau đó, họ hướng chúng thành các tế bào thần kinh vận động đặc trưng của rhombomere 5 và 6.
Đây là những vùng thuộc não sau có liên quan đến việc kiểm soát các cơ ở mặt và cổ họng. Các tế bào được tạo ra mang dấu hiệu phân tử phù hợp với não sau, đồng thời thể hiện đặc điểm của tế bào thần kinh đang hoạt động. Chúng có hoạt động canxi tự phát và phát xung điện khi được kích thích.
Những kết quả này có thể giúp xây dựng mô hình phòng thí nghiệm cho các bệnh gây tổn thương tế bào thần kinh vận động, trong đó có xơ cứng teo cơ một bên và teo cơ tủy sống. Các bệnh này có thể ảnh hưởng đến khả năng vận động, nuốt và hô hấp.
Thân não người rất khó tiếp cận để lấy mẫu mô sống. Vì vậy, việc tạo ra những tế bào thần kinh tương ứng trong phòng thí nghiệm có thể hỗ trợ các nhà nghiên cứu theo dõi diễn biến bệnh, tìm hiểu cơ chế tổn thương và thử nghiệm các giả thuyết mới.
Vẫn cần thêm bằng chứng để kiểm chứng giả thuyết
Dù kết quả được đánh giá là đáng chú ý, nghiên cứu chưa chứng minh dứt khoát rằng hai hệ thống thần kinh cổ đại từng tồn tại như hai cơ quan hoàn chỉnh rồi mới hợp nhất. Một khả năng khác là từng có một quần thể tế bào tiền thân chung tồn tại trong thời gian ngắn, trước khi nhanh chóng tách thành hai dòng phát triển.
Giới hạn này khiến các nghiên cứu tiếp theo đóng vai trò quan trọng. Các nhà khoa học cần mở rộng việc so sánh sang nhiều loài hơn, theo dõi chi tiết các gene điều khiển phát triển và tìm hiểu cách hai chương trình tế bào tương tác trong giai đoạn hình thành não.
Ngoài ra, các tế bào thần kinh tạo ra trong phòng thí nghiệm hiện mới chỉ là mô hình nghiên cứu. Chúng chưa phải phương pháp điều trị và không thể thay thế hoàn toàn mô não tự nhiên. Tuy vậy, đây vẫn là bước tiến có giá trị vì giúp tái tạo những loại tế bào khó tiếp cận trong cơ thể người.
Nếu được các nghiên cứu độc lập củng cố, giả thuyết của Stanford sẽ đem lại một cách nhìn mới về bộ não: một cơ quan thống nhất về chức năng nhưng mang trong mình dấu vết của hai chương trình phát triển rất cổ xưa. “Đường nối” giữa chúng có thể không chỉ là đặc điểm của phôi mà còn là tàn tích sinh học của một sự kiện tiến hóa diễn ra từ hơn nửa tỷ năm trước.
Sạc nhanh 240W trên smartphone Trung Quốc hoạt động ra sao?
Claude phát hiện hệ thống DNA lặp mới mang tên ART
Nếu không có Thomas Edison, công nghệ hiện đại sẽ ra sao?
Dịch chuyển lượng tử: Vì sao con người vẫn chưa thể “dịch chuyển”?
Chiếc túi sách tiết lộ cách Bill Gates học hỏi và thành công
Cụ bà hồi tỉnh trong quan tài rồi qua đời hai ngày sau
Bánh nướng hay bánh dẻo: Điều gì quyết định vị ngon?
