Axolotl: Loài kỳ nhông có thể giúp chúng ta khám phá ra những bí ẩn của não bộ

Năm 1964, các nhà nghiên cứu quan sát thấy rằng các axolotl trưởng thành có thể tái tạo các bộ phận trong não của chúng, ngay cả khi một phần lớn bị cắt bỏ hoàn toàn. Nhưng một nghiên cứu mới cho thấy loài kỳ nhông đặc biệt này có cả khả năng xây dựng lại cấu trúc mô ban đầu bị hạn chế.

Vậy làm thế nào các axolotls có thể tái tạo não sau một chấn thương một cách hoàn hảo?

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Treutlein ở ETH Zurich và Phòng thí nghiệm Tanaka tại Viện Bệnh học phân tử ở Vienna đã tự hỏi liệu axolotls có thể tái tạo tất cả các loại tế bào khác nhau trong não của chúng hay không, bao gồm các kết nối liên kết vùng não này với vùng não khác.

Trong nghiên cứu được công bố gần đây, các nhà khoa học đã tạo ra một tập bản đồ của các tế bào tạo nên một phần của bộ não axolotl, làm sáng tỏ cả cách nó tái tạo và sự tiến hóa của não giữa các loài.

Các loại tế bào khác nhau có các chức năng khác nhau. Chúng có thể chuyên môn hóa một số vai trò nhất định vì chúng biểu hiện các gen khác nhau. Hiểu được những loại tế bào nào trong não và những gì chúng làm sẽ giúp làm rõ bức tranh tổng thể về cách thức hoạt động của bộ não. Nó cũng cho phép các nhà nghiên cứu so sánh trong quá trình tiến hóa và cố gắng tìm ra các xu hướng sinh học giữa các loài.

Một cách để hiểu tế bào nào đang biểu hiện gen nào là sử dụng một kỹ thuật gọi là giải trình tự RNA đơn bào (scRNA-seq). Công cụ này cho phép các nhà nghiên cứu đếm số lượng gen hoạt động trong mỗi tế bào của một mẫu cụ thể. Điều này cung cấp một "ảnh chụp nhanh" về các hoạt động mà mỗi ô đã thực hiện khi nó được thu thập.

Công cụ này đã giúp tìm hiểu các loại tế bào tồn tại trong não của động vật. Các nhà khoa học đã sử dụng scRNA-seq ở cá , bò sát, chuột và thậm chí cả con người. Nhưng vẫn còn một mảnh ghép chính của câu đố về sự tiến hóa của não bộ đã bị thiếu: đó là động vật lưỡng cư.

Theo đó, nhóm nghiên cứu quyết định tập trung vào telencephalon của axolotl. Ở người, telencephalon là bộ phận lớn nhất của não và chứa một vùng gọi là tân vỏ não, đóng vai trò quan trọng trong hành vi và nhận thức. Trong suốt quá trình tiến hóa gần đây, tân vỏ não đã phát triển lớn về kích thước so với các vùng não khác. Tương tự như vậy, các loại tế bào tạo nên telencephalon nói chung đã đa dạng hóa và phát triển phức tạp theo thời gian, khiến khu vực này trở thành một khu vực hấp dẫn để nghiên cứu.

Các nhà khoa học đã sử dụng scRNA-seq để xác định các loại tế bào khác nhau tạo nên axolotl telencephalon, bao gồm các loại tế bào thần kinh và tế bào tiền thân khác nhau, hoặc các tế bào có thể tự phân chia thành nhiều loại tế bào hơn và biến thành các loại tế bào khác. Họ đã xác định những gen nào hoạt động khi các tế bào tiền thân trở thành tế bào thần kinh và nhận thấy rằng nhiều gen di chuyển qua một loại tế bào trung gian gọi là nguyên bào thần kinh - trước đây chưa được biết là tồn tại ở loài axolotls - trước khi trở thành tế bào thần kinh trưởng thành.

Sau đó, họ đã đưa sự tái sinh axolotl vào thử nghiệm bằng cách loại bỏ một phần của telencephalon của chúng. Sử dụng một phương pháp đặc biệt của scRNA-seq, nhóm nghiên cứu đã có thể nắm bắt và thể hiện trình tự tất cả các tế bào mới ở các giai đoạn tái tạo khác nhau, từ một đến 12 tuần sau khi bị thương. Cuối cùng, các nhà khoa học thấy rằng tất cả các loại tế bào bị tổn thương hay mất đi đã được khôi phục hoàn toàn.

Nhóm nghiên cứu quan sát thấy rằng quá trình tái tạo não xảy ra trong ba giai đoạn chính. Giai đoạn đầu tiên bắt đầu với sự gia tăng nhanh chóng số lượng tế bào tiền thân và một phần nhỏ trong số các tế bào này kích hoạt quá trình chữa lành vết thương. Trong giai đoạn hai, các tế bào tiền thân bắt đầu biệt hóa thành các nguyên bào thần kinh. Cuối cùng, trong giai đoạn ba, các nguyên bào thần kinh biệt hóa thành các loại tế bào thần kinh giống như ban đầu bị mất.

Họ cũng quan sát thấy rằng các kết nối tế bào thần kinh bị cắt đứt giữa khu vực bị cắt bỏ và các khu vực khác của não đã được kết nối lại.

Việc thêm động vật lưỡng cư vào việc khám phá sự tiến hóa của bộ não cho phép các nhà nghiên cứu suy ra bộ não và các loại tế bào của não đã thay đổi như thế nào theo thời gian, cũng như các cơ chế đằng sau quá trình tái sinh.

Khi so sánh dữ liệu về loài axolotl với các loài khác, các nhà khoa học nhận thấy rằng các tế bào trong telencephalon của chúng thể hiện sự tương đồng mạnh mẽ với hồi hải mã của động vật có vú, vùng não liên quan đến việc hình thành trí nhớ và vỏ khứu giác, vùng não liên quan đến cảm giác đánh hơi.

Nhóm nghiên cứu thậm chí còn tìm thấy một số điểm tương đồng trong một loại tế bào axolotl với tân vỏ não, khu vực não được biết đến với nhận thức, suy nghĩ và lý luận không gian ở người. Những điểm tương đồng này chỉ ra rằng những vùng não này có thể được bảo tồn về mặt tiến hóa hoặc duy trì so sánh trong quá trình tiến hóa và tân vỏ não của động vật có vú có thể có một loại tế bào tổ tiên trong telencephalon của động vật lưỡng cư.

Trong khi nghiên cứu mới này làm sáng tỏ quá trình tái tạo não, bao gồm những gen nào có liên quan và cách tế bào tiền thân trở thành tế bào thần kinh, các nhà khoa học vẫn chưa biết những tín hiệu bên ngoài nào bắt đầu quá trình này. Hơn nữa, họ cũng không biết liệu các quy trình mà mình đã xác định có còn tiếp cận được với các loài động vật tiến hóa sau này hay không, chẳng hạn như chuột hay con người.

Phòng thí nghiệm Tosches tại Đại học Columbia đã khám phá sự đa dạng của các loại tế bào ở một loài kỳ giông khác, Pleurodeles waltl, trong khi phòng thí nghiệm Fei tại Học viện Khoa học Y tế Quảng Đông ở Trung Quốc và các cộng tác viên tại công ty khoa học sự sống BGI đã khám phá cách các loại tế bào được sắp xếp theo không gian trong não trước axolotl.

Việc xác định tất cả các loại tế bào trong não axolotl cũng giúp mở đường cho các nghiên cứu đổi mới trong y học tái tạo.

Các can thiệp y tế đối với chấn thương não nặng hiện tập trung vào các liệu pháp điều trị bằng thuốc và tế bào gốc để tăng cường hoặc thúc đẩy quá trình sửa chữa. Việc kiểm tra các gen và loại tế bào cho phép các axolotls tái tạo gần như hoàn hảo có thể là chìa khóa để cải thiện phương pháp điều trị các vết thương nghiêm trọng và mở ra tiềm năng tái sinh ở người.

Tham khảo: The Conversation; Inverse; Sciencenews