Điều gì khiến con người khác với loài chuột?

Theo các nhà nghiên cứu, có một loại tế bào não bị bỏ sót lâu nay hình thành một trong những khía cạnh khiến bộ não con người khác về cơ bản so với não của chuột nhắt hay chuột cống. Họ công bố phát hiện của họ trên số ra ngày 11 tháng 3 tờ Neuroscience.

Các nhà khoa học thuộc Đại học trung tâm Y tế Rochester nhận thấy các tế bào hình sao ở người (những tế bào được cho là chỉ hỗ trợ những tế bào não phát sáng, hay chính là nơron truyền tín hiệu điện) lớn hơn, nhanh hơn và phức tạp hơn nhiều so với tế bào sao trong não chuột nhắt và chuột cống.

Tác giả kiêm tiến sĩ Nancy Ann Oberheim đồng thời là một sinh viên y khoa vừa mới hoàn thành luận văn tiến sĩ về tế bào não hình sao cho biết: “Không có nhiều giữa khác biệt giữa não của người và não của loài gặm nhấm, nhưng chúng tôi lại phát hiện thấy những khác biệt lớn trong tế bào hình sao. Những tế bào hình sao của chúng ta nhanh hơn, lớn hơn và phức tạp hơn. Điều này có ý nghĩa lớn đối với phương thức mà não chúng ta xử lý thông tin”.

Nghiên cứu là một trong những khảo sát mở rộng nhất về tế bào não hình sao. Oberheim cùng các cộng sự đã phát hiện một dạng tế bào sao trước đây chưa hề được biết đến chỉ có trong não người chứ không có trong não của chuột. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy dạng tế bào sao phổ biến nhất – tế bào sao nguyên sinh, lớn hơn khoảng 2,6 lần so với tế bào cùng loại ở chuột. Trong khi đó các tế bào của người có các quá trình hoặc cấu trúc liên quan đến các tế bào khác nhiều hơn gấp 10 lần so với loài chuột.

Chuyên gia thần kinh học Maiken Nedergaard, người chỉ đạo nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi vẫn chưa thể hiểu thực sự tại sao não của con người lại có nhiều khả năng hơn não của các loài động vật khác. Một số người nghĩ rằng đơn giản là não của con người lớn hơn thì đa tài hơn nhưng não của loài voi lớn hơn não của chúng ta những nó lại không thực sự tháo vát. Vậy nên kích cỡ không phải là câu trả lời”.

Nedergaard vừa có buổi nói chuyện tuần trước tại Hội nghị nghiên cứu Gordon thêm rằng: “Có thể bộ não con người có nhiều khả năng hơn là do những tế bào sao của chúng ta phức tạp hơn cũng như mang năng lực xử lý cao hơn. Các nghiên cứu ở loài gặm nhấm cho thấy những tế bào không thuộc hệ thần kinh cũng tham gia vào quá trình xử lý thông tin, còn nghiên cứu của chúng tôi cho rằng chính những tế bào sao mang chức năng nhận thức cao đã quy định chúng ta là con người”.

Các tế bào hình sao từ lâu vốn được cho là các tế bào hỗ trợ một cách thụ động, một phương tiên để gắn kết các tế bào não với nhau giống như keo dính. Nhiều sinh viên y học có thể chỉ mất vài phút cân nhắc đến những tế bào hình sao trước khi chuyển sang họ hàng của chúng – chính là các nơron truyền các tín hiệu điện có tầm quan trọng lớn đối với hầu hết những gì chúng ta làm. Chính hoạt động của các nơron đã tạo nên cái mà hầu hết các nhà khoa học cho là hoạt động của bộ não. Và chính các nơron là đối tượng của các loại dược phẩm hiện có nhằm vào tế bào não. Nếu các tế bào sao thực sự quan trọng, lý do có thể là vù chúng giúp tạo ra môi trường lành mạnh hơn cho các nơron.

Hóa ra tế bào hình sao nhiều gấp 10 lần nơron, chúng bị đẩy đến ranh giới của khoa học thần kinh chỉ vì các công cụ được sử dụng trong nghiên cứu bộ não. Các nhà khoa học xác định tín hiệu giữa các tế bào não chủ yếu bằng cách quan sát hoạt động điện. Những các tế bào sao không phát sáng giống như nơron, do đó các kỹ thuật thông thường không thể ghi lại hoạt động của chúng. Khi các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật thông thường, họ không thể chứng kiến được điều gì.

Ngoài việc nhận ra tính không hoàn thiện của công cụ, các nhà khoa học cũng cho rằng các tế bào sao khá tĩnh lặng. Do đó Nedergaard đã tạo ra một phương thức mới nhằm phát hiện hoạt động của tế bào sao, từ đó phát triển hệ thống laze phức tạp để quan sát hoạt động bằng cách xác định lượng canxi bên trong tế bào. Nhóm nghiên cứu của bà đã phát hiện ra cái có thể được gọi là đời sống bí ẩn của tế bào sao, đồng thời mang lại một loạt phát hiện gây sửng sốt. Tế bào sao sử dụng canxi để truyền tín hiệu đến các nơron, và các nơron đáp lại tín hiệu này. Nơron và tế bào sao truyền tín hiệu qua lại, điều này cho thấy tế bào sao là đối tác trong “giao dịch” cơ bản của não bộ, chúng chính là trung tâm của các tình trạng như đột quỵ, Alzheimer, động kinh và chấn thương cột sống.

Trong bức ảnh chụp mô não, tế bào hình sao có màu vàng. (Ảnh: Image courtesy of University of Rochester Medical Center)

Oberheim cho biết: “Niềm tin giáo điều rất khó thay đối, và một trong những niềm tin giáo điều của khoa học thần kính là việc tế bào sao chỉ là những tế bào hỗ trợ không làm tròn nhiệm vụ. Quan điểm này sẽ phải mất một thời gian để thay đổi, nhưng các nhà khoa học đang dần ý thức được. Những tế bào sao hiện giờ đã được coi là thành viên tích cực trong các chức năng của não bộ cũng như quá trình xử lý cảm biến”.

Hai hệ thống tín hiệu của bộ não – một bao gồm các nơron, và hệ thống còn lại bao gồm các tế bào hình sao – có tác động bổ trợ cho nhau. Nơron truyền tín hiệu cực nhanh trong một khoảng cách dài – ví dụ như bàn tay chúng ta chạm vào lò sưởi nóng, bộ não phát hiện ra nguy hiểm và điều khiển đưa tay ra xa ngay lập tức. Các tế bào hình sao thì ngược lại, chúng truyền tín hiệu chậm hơn. Chức năng của chúng vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu.

Nedergaard cho biết: “Bộ não có chứa hai mạng lưới thông tin sử dụng các ngôn ngữ khác nhau. Một mạng lưới điện tinh vi bao gồm các nơron truyền tín hiệu ngay lập tức. Còn mạng thứ hai chậm hơn nhiều bao gồm các tế bào hình sao với tốc độ chậm hơn khoảng 10.000 lần nhưng lại có thể xử lý thông tin với mức độ tinh tế hơn cùng với trí nhớ gợi lại được."

Nedergaard thêm rằng: “Không có một mô nào khác trong tế bào lại được cấu thành từ sự pha trộn giữa hai loại tế bào hoàn thiện như sự phân bố của tế bào hình sao và nơron trong não. Cả hai đều tạo nên mạng lưới tín hiệu trải rộng. Nơi và cách thức chúng tương tác khiến bộ não trở thành đề tài có sức lôi cuốn”.

Để thực hiện nghiên cứu, nhóm các nhà khoa học đã tìm hiểu mô não được lấy từ 30 người đã trải qua phẫu thuật đa phần là để chữa chứng động kinh hoặc u não. Họ đã so sánh các tế bào sao trong não người và các tế bào sao trong não chuột nhắt và chuột cống. Ngoài những phát hiện nói trên, nhóm cũng nhận thấy những sự khác biệt khác: Tế bào sao ở người truyền tín hiệu nhanh gấp 5 lần tốc độ ở chuột.

Những tế bào sao ở người được tổ chức thành các đơn vị phức tạp hơn gọi là vùng so với tế bào sao của loài gặm nhấm. Trung bình một con vật thuộc loài gặm nhấp có hàng chục ngàn khớp thần kinh, trong khi nhóm nghiên cứu nhận thấy một vùng ở người có thể có chứa tới 2 triệu khớp nối. Những vùng này là các nhóm tế bào có tổ chức cao, dường như chúng được sắp đặt vị trí một cách chính xác, giống như phân tử trong pha lê vậy. Theo Nedergaard sự tổ chức này rất quan trọng đối với việc xử lý thông tin. Bà cũng nhấn mạnh rằng các tổn thương não có liên quan đến sự thiếu hụt tổ chức vùng của tế bào hình sao đồng thời chức năng nhận thức bị suy giảm.

Đối với con người, những tế bào được gọi là tế bào hình sao sơi chủ yếu có chức năng hỗ trợ cấu trúc nhìn chung lớn gấp đôi tế bào cùng loại ở chuột nhắt và chuộc cống. Ngoài ra, con người cũng có một dạng tế bào khác gọi là tế bào hình sao liên lớp, dạng tế bào nào không hề có ở chuột. Một sự khác biệt nữa có liên quan đến điểm cuối của các tế bào hình sao nguyên sinh, chúng bao quanh các mạch máu trong não và được cho là có vai trò liên quan đến sự lưu thông máu trong não. Những điểm cuối này ở con người bao quanh thành mạch máu một cách trọn vẹn hơn so với chuột. Có lẽ hiện tượng này giữ một vai trò quan trọng trong việc ngăn các tác nhân trong máu không xâm nhập vào não cũng như nhằm điều hòa lưu thông máu.

Các tác giả chính bao gồm: giáo sư tiến sĩ Steven Goldman kiêm chủ tịch Khoa thần kinh; thạc sĩ Webster Pilcher kiêm giảng viên và chủ tịch khoa giải phẫu thần kinh; Jeffrey Wyatt – giáo sư và chủ tịch khoa Y học đối chiếu; cùng với các trợ lý giáo sư: tiến sĩ Takahiro Takano, tiến sĩ Xiaoning Han, tiến sĩ Wei He, và tiến sĩ Fushun Wang.

Cùng tham gia nghiên cứu còn có Qiwu Xu và tiến sĩ Jane Lin thuộc Trường Y New Yorrk; thạc sĩ Jeffrey Ojemann, và tiến sĩ Bruce Ransom thuộc Đại học Washington nơi Oberheim đã hoàn thiện luận văn tiến sĩ của bà dưới dự giám sát của Nedergaard.

Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ từ thiện G. Harold và Leila Y. Mathers và Viện đột quỵ và các chứng rối loạn thần kinh quốc gia.

Tham khảo:
Nancy Ann Oberheim, Takahiro Takano, Xiaoning Han, Wei He, Jane H. C. Lin, Fushun Wang, Qiwu Xu, Jeffrey D. Wyatt, Webster Pilcher, Jeffrey G. Ojemann, Bruce R. Ransom, Steven A. Goldman, and Maiken Nedergaard. Uniquely Hominid Features of Adult Human Astrocytes. Journal of Neuroscience, 2009; 29 (10): 3276 DOI: 10.1523/JNEUROSCI.4707-08.2009