Bộ não con người được xem là một cơ quan thống nhất, nhưng cách nó hình thành trong phôi có thể phức tạp hơn nhiều. Nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Stanford dẫn đầu cho thấy não trước và não giữa phát triển từ một dòng tế bào thần kinh, trong khi não sau lại bắt nguồn từ một dòng khác.
Các nhà nghiên cứu cho rằng hai chương trình phát triển này có thể bắt nguồn từ hai hệ thống thần kinh từng tồn tại riêng biệt trong quá trình tiến hóa. Sau đó, chúng được đưa lại gần nhau và dần hình thành bộ não tích hợp của động vật có xương sống.
Kyle Loh, nhà sinh học phát triển tại Stanford và tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh rằng não vẫn là một cơ quan, nhưng được xây dựng từ hai phần khác nhau rồi kết nối và hoạt động cùng nhau.
Não có thể phân chia từ rất sớm
Một quan niệm phổ biến trước đây cho rằng mô thần kinh sơ khai có khả năng phát triển thành não trước, não giữa hoặc não sau, tùy thuộc vào các tín hiệu nhận được trong quá trình phát triển.
Nhiều phương pháp sử dụng tế bào gốc cũng dựa trên cách tiếp cận này. Các nhà khoa học bắt đầu từ một quần thể tế bào thần kinh tương đối đồng nhất, sau đó sử dụng các tín hiệu phát triển để hướng chúng trở thành những loại tế bào khác nhau.
Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy sự phân chia có thể xảy ra sớm hơn.
Trong phôi chuột khoảng 7,5 ngày sau thụ thai, nhóm Stanford phát hiện hai quần thể tiền thân thần kinh không chồng lấn. Một nhóm kích hoạt gene Otx2 và phát triển thành vùng não trước, não giữa. Nhóm còn lại kích hoạt Gbx2 và đóng góp vào não sau.
Theo dõi dòng tế bào bằng phương pháp di truyền cho thấy hậu duệ của nhóm mang dấu Gbx2 vẫn bị giới hạn trong não sau.
Khi tái tạo hai trạng thái phát triển này bằng tế bào gốc đa năng của người, các nhà nghiên cứu tiếp tục nhận thấy sự khác biệt. Khi được cung cấp tín hiệu yêu cầu phát triển thành vùng não “không đúng nguồn gốc”, phần lớn tế bào đều chống lại sự chuyển đổi.
Ngay cả chất nhiễm sắc, cấu trúc phân tử kiểm soát khả năng tiếp cận DNA, cũng đã có những thay đổi tương ứng với danh tính tương lai của tế bào.
Rayyan Jokhai, nhà sinh học phát triển và nghiên cứu sinh tại Stanford, cho rằng những nỗ lực trước đây nhằm tạo tế bào thần kinh não sau có thể đã cố gắng chuyển đổi các tế bào tiền thân của não trước và não giữa thành tế bào não sau, trong khi nghiên cứu mới cho thấy cách tiếp cận này không phù hợp với nguồn gốc phát triển thực tế của chúng.
Dấu vết có thể bắt nguồn hơn 500 triệu năm
Điều khiến phát hiện trở nên đáng chú ý hơn là mô hình tương tự không chỉ xuất hiện ở chuột và người.
Nhóm nghiên cứu tìm thấy các chương trình phát triển thần kinh phía trước và phía sau tương tự ở khỉ macaque, gà, cá ngựa vằn và giun acorn.
Giun acorn là động vật không xương sống biển có chung tổ tiên với con người khoảng 550-600 triệu năm trước. Sự tồn tại của hai chương trình phát triển tương tự ở nhóm động vật này cho thấy sự phân chia có thể đã hình thành rất sớm trong lịch sử tiến hóa của những sinh vật có cơ thể đối xứng hai bên.
Sứa đưa ra một manh mối thậm chí xa hơn, dù vẫn chỉ mang tính giả thuyết. Dòng tiến hóa của sứa tách khỏi dòng dẫn đến con người khoảng 600-700 triệu năm trước, trong khi nhiều loài sứa sở hữu hai hệ thống thần kinh riêng biệt ở những vị trí khác nhau trên cơ thể.
Từ những dữ liệu này, nhóm Stanford đưa ra giả thuyết rằng trên dòng tiến hóa dẫn đến động vật có xương sống, hai hệ thống thần kinh vốn tồn tại riêng biệt có thể đã dần được đưa lại gần nhau về mặt không gian.
Qua thời gian, chúng trở thành một hệ thống thống nhất nhưng vẫn duy trì dấu vết của hai chương trình phát triển ban đầu.
Kyle Loh cho rằng tiến hóa có thể đã lấy hai hệ thống thần kinh có sẵn rồi đưa chúng lại gần nhau. Một bộ não thống nhất có thể hiệu quả hơn, nhưng quá trình hình thành cơ quan này vẫn dựa trên một phương thức cổ xưa gồm hai phần riêng biệt.
Phát hiện mở đường cho mô hình bệnh thần kinh
Bản đồ phát triển mới không chỉ giúp giải thích nguồn gốc của bộ não mà còn giải quyết một vấn đề thực nghiệm kéo dài nhiều năm.
Các nhà nghiên cứu đã tạo ra được những tế bào thần kinh vận động cụ thể của não sau người từ tế bào gốc đa năng.
Thay vì cố biến các tế bào tiền thân của não trước và não giữa thành tế bào não sau, nhóm nghiên cứu trực tiếp tạo ra các tế bào tiền thân phía sau bằng một tổ hợp tín hiệu phát triển khác.
Sau đó, họ hướng chúng trở thành tế bào thần kinh vận động đặc trưng của rhombomere 5 và 6, những vùng của não sau liên quan đến việc kiểm soát các cơ ở mặt và cổ họng.
Các tế bào tạo ra mang những dấu hiệu phân tử đặc trưng của não sau, đồng thời thể hiện những đặc điểm của tế bào thần kinh hoạt động. Chúng có hoạt động canxi tự phát và phát xung điện khi được kích thích.
Điều này có thể cung cấp một mô hình mới để nghiên cứu bệnh xơ cứng teo cơ một bên và bệnh teo cơ tủy sống. Cả hai bệnh đều liên quan đến tổn thương tế bào thần kinh vận động, có thể dẫn tới suy giảm khả năng nuốt và hô hấp.
Do các nhà nghiên cứu không dễ dàng tiếp cận mô sống của thân não người, việc tạo ra những tế bào thần kinh tương ứng trong phòng thí nghiệm có thể giúp theo dõi quá trình bệnh và thử nghiệm các giả thuyết một cách thuận tiện hơn.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình nghiên cứu và chưa phải phương pháp điều trị.
Alex Pollen, nhà sinh học thần kinh tại Đại học California, San Francisco, đánh giá nghiên cứu cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho hai con đường phát triển riêng biệt. Dù vậy, ông lưu ý rằng vẫn khó loại trừ khả năng từng tồn tại một quần thể tế bào tiền thân chung trong thời gian ngắn trước khi hai dòng tế bào tách biệt.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Neuroscience, cho thấy bộ não hiện đại có thể là sản phẩm của một quá trình tiến hóa đặc biệt: hai hệ thống thần kinh cổ xưa ban đầu phát triển theo những con đường riêng, sau đó được kết hợp thành một cơ quan thống nhất.
Nếu giả thuyết này được củng cố bởi những nghiên cứu tiếp theo, “đường nối” giữa hai phần của não không chỉ là một đặc điểm phát triển của phôi mà còn có thể là dấu vết sống động của một sự kiện tiến hóa xảy ra từ hơn nửa tỷ năm trước.
Đức Khương
