Hai hệ tế bào đã cùng hình thành não người như thế nào?

Não trước góp phần tạo nên ngôn ngữ, tư duy trừu tượng và ý thức, trong khi vùng não sau tham gia điều khiển nhịp thở, nhịp tim, giấc ngủ cùng nhiều hoạt động tự động. Hai nhóm nhiệm vụ rất khác nhau này không chỉ được phân chia khi não đã hoàn thiện. Một nghiên cứu do Stanford Medicine dẫn dắt cho thấy chúng có thể bắt đầu từ hai quần thể tế bào tiền thân riêng biệt, phát triển song song ngay từ giai đoạn phôi rất sớm. Phát hiện ấy không có nghĩa con người mang hai bộ não độc lập; nó cho thấy một cơ quan thống nhất có thể được hợp thành từ hai hệ phát triển khác nguồn gốc. [1]

Mô hình cũ đã hình dung bộ não ra sao?

Theo cách hiểu phổ biến trước đây, não trước, não giữa và não sau đều bắt nguồn từ một quần thể tế bào tiền thân ban đầu. Có thể hình dung tế bào tiền thân như điểm xuất phát của một cây phân nhánh: từ một nhóm tế bào chung, các nhánh lần lượt nhận tín hiệu để trở thành những vùng não khác nhau. Trong mô hình đó, não sau được xem là một nhánh xuất hiện muộn hơn trên cùng lộ trình đã tạo nên phần phía trước của não. [1]

Giả định về một điểm xuất phát chung còn ảnh hưởng trực tiếp đến cách nuôi tế bào trong phòng thí nghiệm. Nếu mọi vùng não thuộc cùng một cây phát triển, nhà nghiên cứu có thể kỳ vọng điều chỉnh tín hiệu để đưa một loại tế bào tiền thân sang số phận khác. Tuy nhiên, việc tạo neuron não sau của người đã gặp khó khăn kéo dài. Kết quả mới gợi ý rằng trở ngại có thể nằm ngay ở lựa chọn tế bào ban đầu, chứ không chỉ ở công thức nuôi cấy về sau. [1]

Dấu vết nào cho thấy có hai điểm khởi đầu?

Nhóm nghiên cứu khảo sát phôi chuột đang phát triển và nhận diện hai quần thể tế bào tiền thân thần kinh. Một quần thể biểu hiện gene Otx2, hướng tới não trước và não giữa. Quần thể còn lại biểu hiện gene Gbx2, hướng tới não sau. Hai nhóm vẫn tách biệt, không chồng lấn trong những giai đoạn sớm nhất mà nhóm quan sát. Vì vậy, não sau không hiện ra như một nhánh được tách từ con đường tạo não trước và não giữa, mà đi theo lộ trình riêng ngay từ đầu. [1]

Sự khác biệt còn xuất hiện ở chromatin, vật liệu đóng gói DNA và góp phần quyết định những gene nào có thể được tế bào sử dụng. Tế bào thuộc ngoại bì thần kinh phía trước và phía sau mang cấu hình chromatin khác nhau. Nói đơn giản, hai nhóm không chỉ đeo những “nhãn” gene khác nhau; bộ gene của chúng còn được sắp xếp trong những trạng thái tiếp cận khác nhau. Điều này giúp giải thích vì sao một tế bào đã đi vào lộ trình phía trước có thể không dễ bị chuyển thành tế bào của não sau. [1]

Phát hiện đã thay đổi cách nuôi neuron thế nào?

Khi xác định não sau cần một điểm xuất phát riêng, nhóm nghiên cứu hướng tế bào gốc đa năng của người đi theo đúng lộ trình đó. Đây là loại tế bào có khả năng tạo ra nhiều kiểu tế bào trong cơ thể. Kết quả là họ nuôi được neuron vận động não sau có chức năng trong phòng thí nghiệm. Các tế bào tạo ra điện thế hoạt động, tức tín hiệu điện đặc trưng của neuron, đồng thời biểu hiện protein gắn với những vùng não sau điều khiển cơ mặt và các cơ tham gia động tác nuốt. [1]

Thành công này minh họa một nguyên tắc quan trọng của sinh học phát triển: muốn tạo đúng tế bào cuối cùng, cần tái hiện đúng các lựa chọn xảy ra trước đó. Chỉ tập trung vào hình dạng hay hoạt động của neuron ở bước cuối có thể bỏ qua giới hạn đã được thiết lập từ giai đoạn tiền thân. Trong trường hợp não sau, việc bắt đầu từ lộ trình phù hợp đã biến một khác biệt về nguồn gốc phát triển thành một phương pháp nuôi tế bào khả thi. [1]

Vì sao neuron não sau đáng được tạo trong phòng thí nghiệm?

Não sau tham gia những chức năng sống còn như hô hấp, điều hòa nhịp tim, giấc ngủ và cảm giác đói. Neuron tại đây cũng điều khiển cơ ở mặt, lưỡi và họng, cần thiết cho nói và nuốt. Một số neuron thuộc vùng này suy giảm chức năng trong teo cơ tủy sống và xơ cứng teo cơ một bên, thường gọi là SMA và ALS. Khi khả năng nuốt hoặc thở bị ảnh hưởng, hậu quả có thể đặc biệt nghiêm trọng. [1]

Mô não sau của người sống không thể được lấy thường xuyên để nghiên cứu trực tiếp. Vì thế, neuron được tạo trong đĩa nuôi cấy có thể trở thành mô hình để quan sát tế bào hoạt động và tìm hiểu điều gì xảy ra khi bệnh làm chúng suy yếu. Đây mới là nền tảng nghiên cứu, chưa phải liệu pháp. Giá trị trước mắt của phát hiện nằm ở việc cung cấp đúng loại tế bào để đặt câu hỏi chính xác hơn về các bệnh liên quan đến thân não và não sau. [1]

Có phải tiến hóa đã ghép hai hệ thần kinh cổ?

Nhóm nghiên cứu còn tìm thấy kiểu phân chia hai nguồn phát triển ở gà, cá ngựa vằn và giun đầu sồi, những loài nằm trên các nhánh tiến hóa cách xa con người. Sứa cũng có hai hệ thần kinh ở hai đầu cơ thể. Từ sự tương đồng này, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng não động vật có xương sống hiện đại có thể hình thành khi tiến hóa đưa hai hệ thần kinh cổ đến gần nhau về không gian. [1]

Đó là một giả thuyết tiến hóa được gợi ra từ mô hình phát triển chung giữa nhiều loài, không phải hình ảnh trực tiếp về một lần “hợp nhất” trong quá khứ. Điểm chắc chắn hơn của nghiên cứu nằm ở sự tách biệt giữa hai quần thể tiền thân và ở khả năng dùng hiểu biết ấy để tạo neuron não sau. Vì vậy, cách gọi “hai hệ tạo nên một bộ não” chính xác hơn ý niệm con người có hai bộ não: các phần trưởng thành nằm trong cùng một cơ quan và phối hợp hoạt động, dù hành trình phát triển của chúng không bắt đầu tại cùng một nơi. [1]