Não bộ gồm hai cơ quan, không phải một — 600 triệu năm chia cách

Suốt nhiều thế hệ, các nhà sinh học cho rằng mọi tế bào trong não đều bắt nguồn từ một tế bào tổ tiên duy nhất — một tế bào tiền thân phân tách rồi biệt hóa thành mọi vùng của não. Hóa ra giả định đó không đúng.

Các nhà nghiên cứu tại Stanford Medicine đã chứng minh rằng phần trước và phần sau của não phát triển từ những dòng tế bào hoàn toàn riêng biệt; mỗi dòng đã được định sẵn số phận trước khi chúng có thể giao tiếp với nhau. Một nhóm tế bào được định hướng chỉ tạo nên não trước và não giữa; nhóm còn lại đã gắn với số phận của não sau. Hai nhóm bị ngăn cách bởi một ranh giới phân tử mà không gì trong quá trình phát triển có thể vượt qua. Chúng không phải hai nhánh trên cùng một cái cây, mà là hai cái cây khác nhau do tiến hóa đặt cạnh nhau trong cùng một hộp sọ.

Phát hiện này có ý nghĩa từ sinh học cơ bản cho tới điều trị lâm sàng. ALS và teo cơ tủy sống đều đặc biệt phá hủy các nơ-ron ở não sau — vùng mà giới khoa học hầu như chưa thể nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, bởi họ chưa biết cách nuôi những nơ-ron đó bên ngoài cơ thể. Rào cản ấy nay đã được gỡ bỏ.

Bài viết nên đọcCác tế bào hỗ trợ não từng được cho là không thể thay thế — não người trưởng thành đang thay thế chúng

Hai hành trình không bao giờ giao nhau

Não người trưởng thành có ba vùng chính: não trước, đảm nhiệm tư duy, ngôn ngữ và ý thức; não giữa, truyền tiếp tín hiệu; và não sau (thân não), điều khiển mọi hoạt động giúp bạn sống sót mà không cần xin phép — nhịp tim, nhịp thở và các cơ giúp bạn nuốt. Theo mô hình thông thường, đây là một hệ thống phân cấp đơn giản, trong đó một tế bào tiền thân khởi nguồn tạo nên tất cả. Đó là điều giới khoa học vẫn tin.

Khi nhóm nghiên cứu Stanford khảo sát phôi chuột trong giai đoạn tạo phôi vị — thời điểm sớm nhất khi cơ thể bắt đầu tự tổ chức — họ phát hiện điều làm sụp đổ mô hình đó. Hai nhóm tế bào tiền thân khác nhau đã hiện diện, mỗi nhóm biểu hiện một gen riêng. Một nhóm, được đánh dấu bằng gen Otx2, chỉ phát triển thành não trước và não giữa. Nhóm còn lại, được đánh dấu bằng Gbx2, đã được định hướng thành não sau. Hai loại tế bào không bao giờ chồng lấn, đổi vai trò hay tạo ra các loại tế bào của nhau.

Bằng chứng không chỉ đến từ việc theo dõi tế bào đi về đâu, mà còn từ cách DNA bên trong mỗi loại tế bào được cuộn lại về mặt vật lý. Chất nhiễm sắc — cấu trúc đóng gói quyết định những gen nào một tế bào có thể kích hoạt — khác biệt căn bản giữa các tế bào tiền thân ngay từ khi chúng mới xuất hiện. Mỗi tế bào không chỉ mang chỉ dẫn để phát triển theo một hướng riêng, mà còn có cấu trúc khiến nó không thể đi theo hướng nào khác.

“Những nỗ lực trước đây nhằm tạo ra nơ-ron não sau có lẽ đã cố thúc đẩy các tế bào tiền thân của não trước và não giữa biến thành tế bào não sau, điều mà nghiên cứu của chúng tôi cho thấy là không thể,” Rayyan Jokhai, nghiên cứu sinh và đồng tác giả thứ nhất của công trình, cho biết. Hàng chục năm bế tắc trong phòng thí nghiệm hóa ra có lời giải rõ ràng ngay từ giai đoạn đầu tiên của quá trình phát triển: các nhà nghiên cứu đã cố tạo nơ-ron não sau từ sai loại tế bào ban đầu.

Bằng chứng từ 600 triệu năm tiến hóa

Phát hiện này không phải hiện tượng riêng ở phôi chuột. Nhóm Stanford lần ngược 550 triệu năm lịch sử tiến hóa và nhận thấy mô hình có hai nguồn gốc xuất hiện ở mọi nơi họ khảo sát: ở gà, cá ngựa vằn và giun thìa — những sinh vật nhỏ sống dưới đáy đại dương, có chung tổ tiên xa xưa với động vật có xương sống. Sứa, loài đã tách khỏi dòng tiến hóa của chúng ta khoảng 600 đến 700 triệu năm trước, cũng đã có hai hệ thần kinh riêng biệt ở hai đầu cơ thể.

Kết luận ngày càng khó bác bỏ: tiến hóa không tạo ra não sau và não trước như hai nhánh của cùng một bộ não nguyên thủy. Thay vào đó, hai hệ thần kinh vốn tiến hóa độc lập đã được đưa lại gần nhau và dần kết hợp bên trong cùng một cơ thể.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tiến hóa đã đưa hai hệ thần kinh sẵn có lại gần nhau về mặt không gian,” Kyle Loh, tác giả cao cấp của nghiên cứu và phó giáo sư sinh học phát triển tại Stanford Medicine, cho biết. “Nếu não chỉ là một cơ quan thì có lẽ sẽ hiệu quả hơn, nhưng chúng ta lại dựa vào cách thức nguyên thủy này để tạo nên bộ não từ hai phần riêng biệt.”

“Tôi bất ngờ trước những phát hiện của chúng tôi,” Jokhai nói thêm, “vì từ ‘não’ gợi ra hình ảnh một cơ quan liền mạch, có lẽ bắt nguồn từ một nguồn duy nhất. Nhưng ngay cả 500 triệu năm trước, những hệ thần kinh riêng biệt này đã tồn tại, và giờ đây chúng gần như hoạt động như một.”

Phát hiện này mở ra điều gì?

Với những người mắc ALS hoặc teo cơ tủy sống, thay đổi thực tiễn có thể thấy ngay. Ở cả hai bệnh, các nơ-ron não sau điều khiển việc nuốt và thở dần ngừng hoạt động. Người bệnh mất khả năng nuốt an toàn, làm tăng nguy cơ viêm phổi do hít phải thức ăn hoặc chất lỏng, rồi cuối cùng mất khả năng tự thở. Teo cơ tủy sống là nguyên nhân di truyền hàng đầu gây tử vong ở trẻ dưới một tuổi. ALS thường được chẩn đoán nhất ở người trong độ tuổi từ 40 đến 70.

Các nhà khoa học biết cả hai bệnh đều tấn công não sau. Muốn nghiên cứu chúng trong đĩa nuôi cấy, cần nuôi được nơ-ron não sau — điều gần như bất khả thi, bởi các nhà nghiên cứu đã cố tạo ra chúng từ sai loại tế bào ban đầu. Nhờ xác định đúng đặc tính của tế bào tiền thân, lần đầu tiên nhóm Stanford đã thúc đẩy thành công tế bào gốc đa năng của người phát triển thành các nơ-ron vận động chức năng của não sau. Những tế bào nuôi trong phòng thí nghiệm này phát ra điện thế hoạt động và biểu hiện các protein đặc trưng của những phân đoạn não sau điều khiển mặt, lưỡi và họng.

Còn có một mối liên hệ ít hiển nhiên hơn: não sau chứa các mạch thần kinh điều hòa cảm giác đói, cũng chính là nơi các thuốc như semaglutide — hoạt chất trong Ozempic và Wegovy — phát huy tác dụng. Khả năng nuôi và nghiên cứu những nơ-ron này trong phòng thí nghiệm về sau có thể giúp làm sáng tỏ cách các thuốc đó ức chế cảm giác thèm ăn ở cấp độ tế bào.

Những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Sự phân tách trong quá trình phát triển đã được xác nhận. Điều chưa sáng tỏ là cơ chế tiến hóa — chính xác bằng cách nào và vào thời điểm nào, hai hệ thần kinh tiến hóa độc lập tiếp xúc với nhau rồi kết nối thành cơ quan mà chúng ta gọi là bộ não. Câu chuyện ấy trải dài hàng trăm triệu năm và vẫn đang được tái dựng.

Nghiên cứu hiện tại khảo sát ba vùng não: não trước, não giữa và não sau. Mục tiêu nghiên cứu tiếp theo của nhóm là tìm hiểu nguồn gốc phát triển của tủy sống.

Cần lưu ý một số giới hạn. Phần nghiên cứu chính được tiến hành trên phôi chuột; nhóm đã dùng tế bào gốc đa năng của người để xác nhận phát hiện về não sau, nhưng không trực tiếp quan sát quá trình tạo phôi vị ở người. Nghiên cứu cũng chưa xác định chính xác thời điểm các nhóm tế bào Otx2 và Gbx2 lần đầu tách biệt. Nuôi được nơ-ron não sau trong đĩa là một nền tảng nghiên cứu, không phải phương pháp điều trị — vẫn còn nhiều năm nghiên cứu trước khi có thể ứng dụng lâm sàng.

“Giờ đây, chúng ta có một mô hình để hiểu rõ hơn về những căn bệnh này và hướng tới các liệu pháp tái tạo,” Jokhai cho biết.

Những câu hỏi thường gặp về hai nguồn gốc của não bộ

Điều này có nghĩa là bạn có hai bộ não riêng biệt?

Không phải theo nghĩa có hai tâm trí độc lập cùng tồn tại trong hộp sọ của bạn. Nhưng xét về quá trình phát triển, não sau (thân não) và não trước/ não giữa bắt nguồn từ những dòng tế bào tiền thân hoàn toàn khác nhau, tách biệt ngay từ những thời điểm đầu tiên của quá trình phát triển phôi. Khi trưởng thành, chúng hoạt động như một cơ quan, nhưng được hình thành từ hai hệ thống cổ xưa mà tiến hóa dần đưa lại gần nhau.

Não sau thực sự đảm nhiệm những chức năng nào?

Não sau, hay thân não, điều khiển những chức năng tự động giúp bạn sống sót: hô hấp, nhịp tim, điều hòa giấc ngủ, tín hiệu đói và các cơ ở mặt, lưỡi, họng giúp bạn nuốt và nói. Não trước đảm nhiệm các chức năng bậc cao hơn: ngôn ngữ, suy luận, trí nhớ và ý thức.

Vì sao phải mất lâu đến vậy mới phát hiện ra?

Mô hình một tế bào tiền thân duy nhất chưa từng được kiểm nghiệm trực tiếp trong giai đoạn tạo phôi vị, giai đoạn sớm nhất của quá trình phát triển. Các nghiên cứu trước đây trong phòng thí nghiệm cố tạo nơ-ron thân não mà không phân biệt trước các loại tế bào tiền thân, và kết quả thu được không ổn định. Nghiên cứu của Stanford đã giải đáp câu hỏi này bằng cách quan sát thời điểm trước khi bất kỳ phần nào của não hình thành rõ nét.

Phát hiện này ảnh hưởng thế nào đến nghiên cứu ALS và SMA?

Cả hai bệnh đều phá hủy các nơ-ron não sau điều khiển hô hấp và việc nuốt. Trước đây, các nhà khoa học không thể nuôi ổn định những tế bào này trong đĩa. Khi không có mô hình tế bào, việc nghiên cứu hai bệnh ở cấp độ phân tử gần như bất khả thi. Lần đầu tiên, nhóm Stanford đã nuôi được các nơ-ron não sau chức năng của người, mở đường cho việc xây dựng mô hình bệnh và sàng lọc thuốc cho cả ALS lẫn SMA.

Nghiên cứu được công bố trên Nature Neuroscience vào ngày 18 tháng 9. Mục tiêu tiếp theo của nhóm là tìm hiểu nguồn gốc phát triển của tủy sống.

Giờ đây, câu hỏi thực tiễn được đặt ra theo cả hai hướng: nếu cuối cùng chúng ta có thể nghiên cứu cơ chế gây bệnh ở não sau trong đĩa nuôi cấy, còn điều gì về cấu trúc não gồm hai cơ quan vẫn chưa được nhận ra vì chúng ta đã bắt đầu từ sai điểm?

Tài liệu tham khảo: Dundes and Jokhai et al., “Separable developmental origins of the forebrain/midbrain and hindbrain,” Nature Neuroscience, 2026.

Thẻ: neuroscience, ALS, evolutionary biology, brain development, kyle loh, sma

Nội dung tương tự

Não bộ bị cô lập khỏi hệ miễn dịch — nhưng tủy xương sọ có kế hoạch khác

Ba hệ thống não sụp đổ đồng loạt ở độ tuổi 50–75, bản đồ hải mã tiết lộ

Giải mã Mật mã Lão hóa: Trí tuệ Nhân tạo đang Mở khóa Công nghệ Trẻ hóa Tế bào

Các nhà khoa học đã lập bản đồ 160.000 tế bào thần kinh của ruồi giấm — chân nó tự hoạt động

ADN người tiết lộ hai tổ tiên bí ẩn — một từ loài sống 1,8 triệu năm trước

Dưới gây mê, não vẫn giải mã lời nói và đoán trước từ tiếp theo