Theo một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã tạo ra những bộ não thu nhỏ trong phòng thí nghiệm hình thành nên những mạng lưới phức tạp và tạo ra những sóng não tương tự như những bộ não được phát triển bởi bộ não của một đứa trẻ sinh non.
Ý tưởng phát triển bộ não thu nhỏ trong phòng thí nghiệm không phải là mới; các nhà nghiên cứu đã làm như vậy trong gần một thập kỷ. Nhưng hầu hết các nghiên cứu đã sử dụng những bộ não nhỏ hoặc "organoids" này để nghiên cứu cấu trúc quy mô lớn.
Ví dụ, một nhóm đã phát triển bộ não nhỏ có thể phát triển các mạch máu, Live Science trước đây đã báo cáo. Một nhóm khác đã phơi bày bộ não mini với virus Zika để hiểu làm thế nào nó có thể dẫn đến những cái đầu nhỏ bất thường, hay microcephaly.
Nhưng trong các điều kiện như tự kỷ, tâm thần phân liệt, rối loạn lưỡng cực và thậm chí trầm cảm, "bộ não vẫn còn nguyên vẹn và vấn đề phụ thuộc vào hoạt động của mạng", tác giả nghiên cứu cao cấp Alysson Muotri, phó giáo sư của Khoa Tế bào và Phân tử và giám đốc chương trình tế bào gốc tại Đại học California, San Diego. Đây là lần đầu tiên bộ não phát triển trong phòng thí nghiệm hình thành mạng lưới các nơ-ron phức tạp tạo ra sóng não mạnh.
Để làm điều này, Muotri và nhóm của ông đã thu hoạch các tế bào gốc của con người - có thể biến thành bất kỳ loại tế bào nào theo đúng hướng dẫn - có nguồn gốc từ da và máu của mọi người. Các nhà nghiên cứu đã tiếp xúc với các tế bào gốc này theo các hướng dẫn hóa học sẽ biến các tế bào thành tế bào não.
Phần lớn, các tế bào này hình thành các tế bào tiền thân thần kinh, các tế bào đặc biệt của não có thể sinh sôi nảy nở và tạo ra nhiều loại tế bào não. Sau hai đến năm tháng trong một món ăn trong phòng thí nghiệm, các tế bào tiền thân này hình thành các tế bào thần kinh glutamatergic, các tế bào não "kích thích" hoặc các tế bào truyền thông tin.
Sau khoảng bốn tháng, bộ não mini ngừng tạo ra các tế bào thần kinh kích thích và bắt đầu tạo ra tế bào hình sao. Những tế bào não này giúp hình thành các khớp thần kinh, khoảng cách giữa các tế bào não nơi dẫn truyền thần kinh hoặc hóa chất não, truyền thông tin. Cuối cùng, các tế bào tiền thân bắt đầu tạo ra các tế bào thần kinh ức chế, làm dịu hoạt động của não hoặc ngăn chặn các tế bào thần kinh truyền thông tin. Đó là khi "hoạt động bắt đầu trở nên phức tạp hơn, bởi vì bây giờ chúng tôi cân bằng sự kích thích và ức chế", Muotri nói.
Trong khi các tế bào đang phân chia và biệt hóa, cuối cùng chúng bắt đầu "tự tổ chức thành một thứ giống như vỏ não của con người", Muotri nói. Vỏ não là lớp ngoài của não, đóng vai trò quan trọng trong ý thức.
Trên thực tế, "bộ não nhỏ" không giống như phiên bản thu nhỏ của bộ não con người. Thay vào đó, chúng là những đốm màu trắng, hình cầu nổi trong món súp màu đỏ mà chúng đang phát triển, Muotri nói. Chúng có đường kính chỉ lên tới 0,2 inch (0,5 cm), nhưng mạng lưới thần kinh của chúng tiếp tục phát triển trong vòng 9 đến 10 tháng trước khi dừng lại, ông nói.
Trong suốt quá trình phát triển của bộ não mini, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một bộ các điện cực nhỏ kết nối với các tế bào thần kinh để đo hoạt động của não. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng vào khoảng hai tháng, các tế bào thần kinh trong bộ não mini bắt đầu phát ra các tín hiệu lẻ tẻ, tất cả đều có cùng tần số. Sau một vài tháng phát triển, bộ não phát tín hiệu ở các tần số khác nhau và thường xuyên hơn, cho thấy hoạt động não phức tạp hơn, Muotri nói.
Trong khi các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng bộ não nhỏ, được sản xuất trong phòng thí nghiệm có thể tạo ra việc bắn tế bào não, các nhà nghiên cứu báo cáo họ bắn khoảng 3.000 lần mỗi phút, Muotri nói. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, các tế bào thần kinh bắn ra gần 300.000 lần mỗi phút, "gần với não người hơn", ông nói.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng thuật toán học máy để so sánh hoạt động não của những bộ não nhỏ này với trẻ sơ sinh non tháng. Các nhà nghiên cứu đã đào tạo chương trình của họ để tìm hiểu sóng não được ghi nhận từ 39 trẻ sinh non từ 6 đến 9 tháng rưỡi tuổi.
Sau đó, các nhà khoa học đã đưa các mô hình sóng não từ bộ não mini vào thuật toán và nhận thấy rằng sau 25 tuần phát triển não nhỏ, nó không còn có thể phân biệt dữ liệu đến từ não người với nguồn gốc từ bộ não phát triển trong phòng thí nghiệm. "Nó bị lẫn lộn và cho cùng tuổi với cả hai người", điều đó cho thấy bộ não nhỏ và bộ não con người đang phát triển và phát triển tương tự nhau, Muotri nói.
Nghiên cứu này cho thấy "rất độc đáo rằng bạn có thể tạo ra các hệ thống thí nghiệm có thể tái tạo này, nơi bạn có thể giải quyết các quá trình rất cơ bản cho sự phát triển của con người", Tiến sĩ Thomas Hartung, giám đốc Trung tâm Thay thế Thử nghiệm Động vật Johns Hopkins cho biết người cũng đã làm việc để phát triển bộ não nhỏ trong phòng thí nghiệm nhưng không phải là một phần của nghiên cứu.
"Không thể tiếp cận của não phôi là một trong những lý do tại sao các mô hình này cung cấp một cái gì đó khác nhau," ông nói. "Nhưng nó cũng có nghĩa là bạn có rất ít cơ hội để nói điều đó là thật." Mặc dù các tín hiệu EEG tương tự như tín hiệu của trẻ sinh non, chúng hơi bị lệch về thời gian, ông nói thêm.
Trong khi phôi người được kết nối với mẹ và do đó nhận được tín hiệu từ bên ngoài, những bộ não phát triển trong phòng thí nghiệm này không kết nối với bất cứ thứ gì. "Những tế bào này không có đầu vào hoặc không có đầu ra, chúng không thể nhận ra bất cứ điều gì xảy ra trên thế giới", ông Hartung nói. Vì vậy, họ "chắc chắn không" có ý thức.
Đó là điều mà hầu hết các nhà khoa học sẽ đồng ý, nhưng "thật khó để nói", Muotri nói. "Chúng tôi, các nhà thần kinh học thậm chí không đồng ý các phép đo mà người ta có thể làm để thực sự thăm dò xem họ có ý thức hay không."
Bộ não con người gửi tín hiệu của nó để giúp chúng ta tương tác với môi trường của chúng ta. Ví dụ, chúng ta nhìn vào một con bọ, mắt gửi tín hiệu đến các tế bào não, chúng báo hiệu cho nhau và cho chúng ta biết rằng chúng ta đang thấy một con bọ.
Vì vậy, tại sao những bộ não phát triển phòng thí nghiệm gửi tín hiệu? Họ có thể nói về cái gì? "Đó là một câu hỏi mà chúng tôi không biết, bởi vì bộ não phôi thai thực sự là một hộp đen", Muotri nói. Dường như hầu hết các tín hiệu trong các giai đoạn đầu này liên quan đến các hướng dẫn để "tự lên dây" hoặc kết nối với nhau, ông nói.
Trong mọi trường hợp, ông nói ông hy vọng những nghiên cứu như thế này sẽ giúp chúng ta hiểu được việc não bộ phát triển sớm như thế nào đối với bộ não phức tạp của chúng ta và điều gì xảy ra khi hệ thống dây điện đó bị trục trặc.
Muotri và nhóm của ông cho biết họ hy vọng sẽ kích thích các cơ quan não tiếp tục để xem liệu họ có thể phát triển sau chín đến 10 tháng hay không. Các nhà nghiên cứu cũng muốn mô hình hóa các rối loạn não, ví dụ bằng cách tạo ra các cơ quan não với các tế bào lấy từ trẻ tự kỷ, để hiểu cách mạng lưới não của chúng phát triển.
Những phát hiện đã được công bố ngày hôm nay (29 tháng 8) trên tạp chí Tế bào gốc tế bào.
