Nghiên cứu từ Stanford: Não người thực chất là hai cơ quan tách biệt

Trong nhiều thế kỷ, giới khoa học vẫn xem não người là một cơ quan thống nhất. Nhưng nghiên cứu mới do Đại học Stanford dẫn đầu cho thấy điều chúng ta gọi là não thực chất là hai cơ quan riêng biệt đã tiến hóa độc lập trong hàng trăm triệu năm.

Phát hiện này đảo ngược mô hình phát triển não đã tồn tại từ lâu. Trong nhiều thập kỷ, các nhà nghiên cứu tin rằng có một tế bào tiền thân duy nhất ở giai đoạn đầu phát triển tạo ra toàn bộ não bộ.

Minh họa nghiên cứu về hai hệ thần kinh trong não người

Bộ não gồm hai hệ thần kinh cổ xưa

Theo kết quả nghiên cứu, não người bao gồm hai hệ thần kinh cổ xưa được "đóng gói" lại với nhau một cách khéo léo. Một phần nguyên thủy hơn điều khiển nhịp tim, hô hấp và các chức năng sống còn khác. Phần còn lại tạo nên những gì đặc trưng ở con người — khả năng làm thơ, tính toán và tự vấn về nguồn gốc của chính mình.

"Chúng tôi đã chứng minh lần đầu tiên rằng phần trước của não phát sinh từ một loại tế bào tiền thân hoàn toàn khác so với phần sau của não", Kyle Loh, phó giáo sư sinh học phát triển, cho biết. "Phát hiện của chúng tôi có nghĩa là giờ đây chúng ta có thể nuôi cấy tế bào thần kinh từ phần sau của não, tức não sau, trong đĩa petri và nghiên cứu chức năng của chúng."

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience ngày 18/9. Loh là tác giả chính. Hai nghiên cứu sinh Carolyn Dundes và Rayyan Jokhai là đồng tác giả thứ nhất.

Ba vùng chính của não và vai trò của não sau

Não người trưởng thành có ba vùng chính: não trước, não giữa và não sau. Não trước đảm nhiệm tư duy bậc cao như ngôn ngữ, ý thức và lý luận trừu tượng.

Ngược lại, não sau — nằm ở phía sau hộp sọ, thường được gọi là thân não — điều khiển các chức năng tự động thiết yếu giúp duy trì sự sống: hô hấp, giấc ngủ, điều hòa nhịp tim và cảm giác đói. Các tế bào thần kinh não sau cũng điều khiển cơ mặt, lưỡi và họng, ảnh hưởng đến khả năng nói và nuốt.

Dù não sau có vai trò cực kỳ quan trọng, các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong nhiều thập kỷ để tạo ra tế bào thần kinh não sau của người trong phòng thí nghiệm. Khoảng trống này cản trở nghiên cứu các bệnh hiểm nghèo ảnh hưởng đến thân não, bao gồm teo cơ tủy (SMA) và xơ cứng teo cơ một bên (ALS).

SMA là nguyên nhân di truyền gây tử vong hàng đầu ở trẻ dưới 1 tuổi. ALS thường được chẩn đoán trong độ tuổi 40 đến 70, ảnh hưởng đến cả não trước và não sau. Ở cả hai bệnh, một số tế bào thần kinh não sau dần ngừng hoạt động, khiến bệnh nhân mất khả năng nuốt — có thể gây viêm phổi khi thức ăn hoặc chất lỏng bị hít vào phổi — và cuối cùng mất khả năng hô hấp.

Bước đột phá từ giai đoạn phôi thai sớm nhất

Bước đột phá của nhóm nghiên cứu đến từ việc nghiên cứu những khoảnh khắc sớm nhất của quá trình phát triển phôi, trong giai đoạn gọi là dạ dày hóa (gastrulation) khi cơ thể bắt đầu định hình.

Jokhai và Dundes phát hiện rằng não sau đi theo một con đường phát triển riêng, song song với con đường tạo ra não trước và não giữa, thay vì tách ra từ con đường đó.

Nhóm nghiên cứu tìm ra điều này từ việc khảo sát phôi chuột đang phát triển. Họ xác định được hai loại tế bào tiền thân não khác nhau. Một loại biểu hiện gene gọi là Otx2, được định sẵn để trở thành não trước và não giữa. Loại còn lại biểu hiện gene Gbx2, được định sẵn để tạo thành não sau.

Họ chứng minh rằng hai quần thể tế bào này không bao giờ chồng lấn; chúng loại trừ lẫn nhau ngay từ giai đoạn sớm nhất của phát triển.

Cấu trúc nhiễm sắc chất khác biệt quyết định số phận tế bào

Sau đó, nhóm nghiên cứu xem xét cách đóng gói DNA, hay nhiễm sắc chất (chromatin), trong các tế bào này. Nhiễm sắc chất là cách tế bào xác định gene nào có thể truy cập dễ dàng và gene nào bị cuộn lại ngoài tầm với.

Phát hiện của họ rất đáng chú ý: ngoại bì thần kinh trước (tương lai là não trước và não giữa) và ngoại bì thần kinh sau (tương lai là não sau) có cấu hình nhiễm sắc chất khác biệt về cơ bản. Những khác biệt này khóa chặt mỗi tế bào tiền thân vào số phận của nó, giống như những hành khách trên các đường ray song song không bao giờ giao nhau.

"Các nỗ lực trước đây nhằm tạo tế bào thần kinh não sau có lẽ đã cố gắng biến tế bào tiền thân não trước và não giữa thành tế bào não sau, điều mà nghiên cứu của chúng tôi cho thấy là không thể", Jokhai nhận định.

Tiết lộ này giải thích cho nhiều thập kỷ thất vọng trong lĩnh vực — các nhà khoa học đã cố gắng biến một loại tế bào tiền thân thành loại khác mà nó hoàn toàn không có khả năng trở thành.

Nuôi cấy tế bào thần kinh não sau thành công

Với kiến thức này, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên thành công trong việc thuyết phục tế bào gốc vạn năng của người trở thành tế bào thần kinh vận động não sau chức năng trong phòng thí nghiệm.

Những tế bào thần kinh được nuôi cấy này thể hiện đầy đủ các dấu hiệu của tế bào não sau thực thụ: chúng phát ra các đợt hoạt động điện gọi là điện thế hoạt động (action potential) và tạo ra các protein nhận diện các phân đoạn của não sau điều khiển cơ mặt và cơ nuốt.

Dấu vết tiến hóa 550 triệu năm

Cuối cùng, nhóm nghiên cứu nhìn lại 550 triệu năm tiến hóa. Họ tìm thấy mô hình não hai nguồn gốc tương tự ở gà, cá sọc vằn và đáng kinh ngạc là ở giun acorn — những sinh vật nhỏ sống dưới đáy đại dương có tổ tiên chung xa xôi với con người. Sứa, loài tách nhánh khỏi con người khoảng 600 đến 700 triệu năm trước, có hai hệ thần kinh ở hai đầu cơ thể khác nhau.

"Nghiên cứu của chúng tôi gợi ý rằng tiến hóa đã lấy hai hệ thần kinh sẵn có và đẩy chúng lại gần nhau về mặt không gian", Loh nói. "Có não như một cơ quan có lẽ sẽ hiệu quả hơn, nhưng chúng ta dựa vào cách nguyên thủy này để tạo não thành hai phần riêng biệt."

"Tôi ngạc nhiên với phát hiện của chúng tôi vì từ 'não' ngụ ý một cơ quan liền mạch có nguồn gốc duy nhất", Jokhai chia sẻ. "Nhưng ngay cả 500 triệu năm trước, đã có những hệ thần kinh riêng biệt này, giờ đây gần như hoạt động như một, điều đó rất thú vị."

Ý nghĩa cho điều trị SMA, ALS và cả béo phì

Nghiên cứu cũng có ý nghĩa cho việc tìm hiểu phương pháp điều trị SMA, ALS và các tình trạng khác ảnh hưởng đến thân não. Cho đến nay, việc nghiên cứu những bệnh này gần như không thể thực hiện vì các nhà khoa học không thể lấy mô thân não từ bệnh nhân còn sống. Khả năng nuôi cấy các tế bào thần kinh này trong đĩa mở ra những khả năng mới để hiểu điều gì sai hỏng.

Thậm chí còn có một mối liên hệ bất ngờ với điều trị béo phì: não sau chứa các mạch điều hòa cảm giác đói — đây chính xác là cách các loại thuốc giảm cân như semaglutide hoạt động.

Các nhà nghiên cứu muốn mở rộng nghiên cứu để xác định nguồn gốc phát triển của tủy sống và tìm hiểu chính xác cách SMA và ALS làm suy yếu chức năng tế bào thần kinh não sau.

"Giờ đây chúng tôi có một mô hình để hiểu rõ hơn về những bệnh hiểm nghèo này, và hướng tới các liệu pháp tái tạo cho chúng", Jokhai nói. "Đây là một biên giới mới rất thú vị trong nghiên cứu não bộ."

Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ California và Đại học California, San Francisco đã đóng góp cho nghiên cứu này. Công trình được tài trợ bởi Viện Y tế Quốc gia (NIH), Quỹ Khoa học Quốc gia, Viện Y học Tái tạo California, Quỹ Teo cơ Tủy, cùng nhiều tổ chức khác.