Bộ não người: một cơ quan, hai nguồn gốc
Phát triển não người là quá trình trong đó bộ não hiện đại hình thành từ những tế bào tiền thân não chuyên biệt, và nghiên cứu mới về tiến hóa thần kinh cho thấy não trước, não giữa và não sau không xuất phát từ một quần thể tế bào duy nhất, mà từ hai dòng tế bào tiền thân khác nhau được lập trình di truyền riêng rồi hợp nhất thành một cơ quan thống nhất trong phôi. Phần gây tranh luận nhất trong Stanford nghiên cứu não là thông điệp: não người vẫn là một cơ quan duy nhất, nhưng kiến trúc phát triển của nó được xây trên “hai nửa” độc lập. Một dòng tế bào biểu hiện gene Otx2 tạo nên não trước và não giữa, trong khi dòng còn lại biểu hiện gene Gbx2 xây dựng não sau, mỗi bên theo con đường điều hòa gene của riêng mình ngay từ giai đoạn rất sớm của phôi. Điều này thách thức trực diện giả định lâu nay rằng mô thần kinh sơ khai là một “tờ giấy trắng” có thể được tín hiệu phát triển hướng theo bất kỳ vùng não nào.
Hai dòng tế bào tiền thân não: bằng chứng sinh học cho sự phân đôi
Các nhà khoa học phát hiện sự phân chia thành hai quần thể tế bào tiền thân não diễn ra sớm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây. Trong phôi chuột khoảng 7,5 ngày sau thụ thai, họ quan sát được hai quần thể tiền thân thần kinh không hề chồng lấn: một nhóm kích hoạt Otx2 và chỉ đi về phía não trước, não giữa; nhóm còn lại kích hoạt Gbx2 và góp phần tạo nên não sau. Theo dõi di truyền cho thấy hậu duệ mang dấu Gbx2 bị giới hạn trong não sau, không “nhảy vùng” như mô hình cũ từng dự đoán. Khi tái tạo hai trạng thái phát triển này từ tế bào gốc đa năng của người, các khác biệt càng rõ: dù được cung cấp tín hiệu yêu cầu phát triển thành vùng não "không đúng nguồn gốc", đa số tế bào kháng lại sự chuyển đổi. Ngay cả chất nhiễm sắc – lớp kiến trúc quyết định gene nào được đọc – cũng sớm mang dấu ấn cho danh tính tương lai của tế bào. Đây là lời nhắc rằng trong tiến hóa thần kinh, nguồn gốc phát triển không phải chi tiết phụ mà là “luật chơi” chi phối toàn bộ bản đồ não.
Dấu vết hai hệ thần kinh cổ xưa còn in trong não hiện đại
Góc nhìn tiến hóa khiến phát hiện này mạnh hơn nhiều so với một điều chỉnh kỹ thuật trong phôi học. Các nhà khoa học cho rằng hai chương trình phát triển phía trước (Otx2) và phía sau (Gbx2) có thể bắt nguồn từ hai hệ thống thần kinh từng tồn tại riêng biệt rồi mới được đưa lại gần nhau trong quá trình tiến hóa động vật có xương sống. Mô hình tương tự không chỉ thấy ở người và chuột mà còn ở khỉ macaque, gà, cá ngựa vằn, thậm chí giun acorn – loài không xương sống biển có chung tổ tiên với chúng ta cách đây khoảng 550–600 triệu năm. Ở nhiều loài sứa, các nhà nghiên cứu còn thấy hai hệ thần kinh phân bố ở những vị trí khác nhau, gợi ý một kịch bản xa xưa hơn nữa. Từ những mảnh ghép này, nhóm Stanford đề xuất rằng bộ não động vật có xương sống có thể là kết quả của việc tiến hóa “ghép” hai hệ thần kinh sẵn có. Nếu giả thuyết được củng cố, “đường nối” giữa hai phần của não sẽ là dấu vết sống động của một sự kiện tiến hóa từ hơn nửa tỷ năm trước.
Cú xoay trục trong hiểu biết về phát triển não người
Trong nhiều thập kỷ, mô hình chuẩn của phát triển não người coi mô thần kinh sơ khai như một quần thể tương đối đồng nhất, có thể biến thành não trước, giữa hoặc sau tùy vào tín hiệu nhận được. Các chiến lược dùng tế bào gốc để tạo mô não trong phòng thí nghiệm cũng dựa trên giả định này: bắt đầu từ một nhóm tế bào thần kinh chung rồi “dạy” chúng trở thành loại mình cần. Nghiên cứu mới đang nói thẳng rằng mô hình đó sai ở chỗ quan trọng nhất: sự phân chia xảy ra từ rất sớm và tạo ra hai dòng tế bào tiền thân với danh tính riêng. "Nghiên cứu được công bố trên Nature Neuroscience cho thấy bộ não hiện đại là sản phẩm của quá trình kết hợp hai hệ thần kinh cổ xưa thành một cơ quan thống nhất." Hiểu như vậy, việc cố gắng biến tế bào tiền thân của não trước và não giữa thành tế bào não sau là đi ngược lại nguồn gốc phát triển thực tế của chúng. Cú xoay trục này buộc giới phôi thai học và sinh học thần kinh phải chỉnh lại bản đồ không gian–thời gian của sự hình thành não.
Ý nghĩa cho bệnh thoái hóa thần kinh và tương lai nghiên cứu não
Tầm quan trọng thực tế của phát hiện không nằm trên giấy. Nó giải thích vì sao các phòng thí nghiệm đã gặp quá nhiều khó khăn trong việc tạo tế bào thần kinh não sau của người: họ đang cố ép tế bào tiền thân của não trước và giữa "đổi nghề" thành tế bào thân não. Dựa trên hiểu biết mới về tế bào tiền thân não phía sau, nhóm nghiên cứu đã trực tiếp tạo dòng tiền thân mang chương trình Gbx2 bằng một tổ hợp tín hiệu khác, rồi hướng chúng thành tế bào thần kinh vận động đặc trưng của rhombomere 5 và 6 – vùng não sau điều khiển cơ mặt và cổ họng. Những tế bào này mang dấu hiệu phân tử của não sau và có hoạt động điện sinh lý, mở ra mô hình mới để nghiên cứu xơ cứng teo cơ một bên (ALS) và teo cơ tủy sống (SMA), các bệnh làm suy giảm tế bào thần kinh vận động. Do thân não người khó tiếp cận trực tiếp, các mô hình này sẽ là “phòng thí nghiệm mini” để theo dõi bệnh và thử nghiệm giả thuyết. Dù chưa phải liệu pháp điều trị, chúng cho thấy cách một điều chỉnh trong bản đồ phát triển não người có thể thay đổi toàn bộ chiến lược đối phó rối loạn não và bệnh thoái hóa thần kinh trong tương lai.
