Cách thức bộ não người phát triển lớn hơn so với các loài vượn khác

Một nghiên cứu mới lần đầu tiên phát hiện cách thức bộ não người phát triển lớn hơn, với số lượng tế bào thần kinh nhiều gấp ba lần, so với bộ não của tinh tinh và khỉ đột. Nghiên cứu thực hiện bởi các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Hội đồng Nghiên cứu Y khoa (Medical Research Council) ở Cambridge, Vương quốc Anh đã xác định một công tắc phân tử chính có thể khiến cho mô hình organoid não bộ vượn phát triển lớn hơn, giống như organoid não bộ người và ngược lại.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Cell  đã so sánh các “organoid não bộ” được phát triển từ các tế bào gốc của người, khỉ đột và tinh tinh. Các organoid não bộ là các mô 3D phát triển từ các tế bào gốc nhằm mô phỏng sự phát triển ban đầu của bộ não.

Tương tự như bộ não thật sự, các organoid não bộ người phát triển lớn hơn nhiều so với các organoid từ các loài vượn khác.

Tiến sĩ Madeline Lancaster công tác tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử thuộc Hội đồng Nghiên cứu Y khoa và là trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Kết quả này  mang lại một số hiểu biết đầu tiên về sự khác biệt trong bộ não đang phát triển của con người, khiến chúng ta khác biệt so với những họ hàng gần nhất của mình, đó là các loài vượn lớn khác. Sự khác biệt đáng chú ý nhất giữa chúng ta và các loài vượn khác là bộ não của ta to lớn một cách đáng kinh ngạc ”.

Trong suốt các giai đoạn phát triển ban đầu của bộ não, các tế bào thần kinh được tạo nên từ các tế bào gốc gọi là tiền thân tế bào thần kinh (neural progenitor). Những tế bào tiền thân này ban đầu có dạng hình trụ, giúp chúng dễ dàng phân chia thành các tế bào con có hình dạng giống hệt nhau.

Các tiền thân tế bào thần kinh nhân lên càng nhiều ở giai đoạn này, thì càng có nhiều tế bào thần kinh sau này.

Khi các tế bào tiền thân trưởng thành và làm chậm lại quá trình nhân lên, chúng sẽ kéo dài ra tạo thành hình dạng giống như một que kem ốc quế bị kéo giãn.

Trước đó, nghiên cứu ở chuột cho thấy các tiền thân tế bào thần kinh trưởng thành phát triển thành hình nón và làm chậm quá trình nhân lên của chúng chỉ trong vòng vài giờ.

Hiện nay, các organoid não bộ cho phép các nhà nghiên cứu khám phá cách thức quá trình phát triển này xảy ra ở người, khỉ đột và tinh tinh.

Họ phát hiện ra rằng ở khỉ đột và tinh tinh quá trình chuyển đổi này diễn ra trong một thời gian dài, khoảng hơn năm ngày.

Các tế bào tiền thân của người thậm chí còn bị trì hoãn nhiều hơn ở quá trình chuyền đổi này, diễn ra trong khoảng bảy ngày. Các tế bào tiền thân người duy trì hình dạng giống như hình trụ lâu hơn các loài vượn khác và trong suốt quá trình này, chúng phân chia thường xuyên hơn, tạo ra nhiều tế bào hơn.

Sự khác biệt trong tốc độ chuyển đổi từ tế bào tiền thân thành tế bào thần kinh  có nghĩa rằng các tế bào người có nhiều thời gian hơn để nhân lên. Điều này có thể là nguyên nhân chính giúp giải thích tại sao số lượng tế bào thần kinh trong bộ não người nhiều gấp 3 lần so với bộ não của khỉ đột hay tinh tinh.

Tiến sĩ Lancaster cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng việc trì hoãn sự thay đổi hình dạng của tế bào trong não bộ ở giai đoạn ban đầu đủ để thay đổi quá trình phát triển, giúp quyết định số lượng tế bào thần kinh được tạo ra. Điều đáng chú ý là chỉ một sự thay đổi tiến hóa tương đối đơn giản về hình dạng tế bào đã có thể tạo ra những kết quả quan trọng trong quá trình tiến hóa của não bộ. Tôi cảm giác giống như chúng ta đã thực sự học được một vài thứ cơ bản về những câu hỏi mà tôi quan tâm cho đến khi nào tôi còn nhớ được – Điều gì khiến chúng ta trở thành con người”.

Để khám phá cơ chế di truyền kiểm soát những khác biệt này, các nhà khoa học đã so sánh sự biểu hiện gene – các gene nào được bật và tắt – ở các organoid não bộ người so với các loài vượn khác.

Họ đã xác định được khác biệt ở gene được gọi là “ZEB2”, gene này được bật sớm hơn ở các organoid não bộ của khỉ đột so với organoid của người.

Để kiểm tra tác động của gene này trong tế bào tiền thân của khỉ đột, họ đã trì hoãn tác động của ZEB2. Việc này làm chậm quá trình trưởng thành của các tế bào tiền thân, khiến cho các organoid não bộ của khỉ đột phát triển giống với người hơn – đó là chậm hơn và lớn hơn.

Ngược lại, việc bật gene ZEB2 sớm hơn trong các tế bào tiền thân của người kích thích quá trình chuyển đổi tiền trưởng thành ở các organoid người, làm cho chúng phát triển giống với các organoid của vượn hơn.

Các nhà khoa học lưu ý rằng các organoid là một mô hình và giống như tất cả các mô hình khác, chúng không mô tả đầy đủ bộ não thật sự, đặc biệt đối với chức năng của bộ não trưởng thành. Nhưng đối với những câu hỏi cơ bản về sự tiến hóa của chúng ta, những mô não nuôi cấy này giúp cung cấp một cái nhìn chưa từng có về các giai đoạn phát triển chính của bộ não mà sẽ không thể nghiên cứu nếu không sử dụng chúng.

Tiến sĩ Lancaster là một thành viên của nhóm nghiên cứu đã tạo ra mô hình organoid não bộ đầu tiên vào năm 2013.

Nghiên cứu này được tài trợ bởi Hội đồng Nghiên cứu Y khoa (Medical Research Council), Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu (European Research Council) và Tổ chức Nghiên cứu ung thư Vương quốc Anh (Cancer Research UK).

Nguồn: sciencedaily.com

Tài liệu tạp chí: Silvia Benito-Kwiecinski, Stefano L. Giandomenico, Magdalena Sutcliffe, Erlend S. Riis, Paula Freire-Pritchett, Iva Kelava, Stephanie Wunderlich, Ulrich Martin, Gregory A. Wray, Kate McDole, Madeline A. Lancaster. An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.02.050