Một Bản đồ Tế bào Não Người Độc đáo Vừa Được Ra Mắt | MYTOUR

Đây không phải là bản đồ tế bào não đầu tiên, và cũng sẽ không phải là cuối cùng. Nhưng nó rất chi tiết. Bộ sưu tập 21 nghiên cứu báo cáo kết quả của chương trình tài trợ năm cuối cùng của BRAIN Initiative, BICCN (BRAIN Initiative Cell Census Network). Viện Y tế Quốc gia (NIH) đã phân phối 100 triệu đô la cho dự án này, với mục tiêu mô tả các loại tế bào não một cách sâu sắc hơn bao giờ hết. “Vấn đề sinh học quy mô lớn duy nhất khác mà chúng tôi đã nghĩ đến là Dự án Gen Người,” như Beckel-Mitchener nói. “Dự án bản đồ tế bào là nỗ lực khoa học nhóm lớn nhất trong lĩnh vực thần kinh học.” 

Lịch sử cho thấy, việc hiểu đúng độ phức tạp của não người đã gần như là điều không thể. Với rất nhiều mảnh ghép kết nối, “đó không phải thực sự là một cơ quan duy nhất—nó giống như một nghìn cơ quan,” như Ed Lein, một nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Nghiên cứu Não của Viện Allen, người đã giúp dẫn dắt dự án bản đồ, mô tả.

“Trước dữ liệu này, đó chỉ là một giả thuyết rằng não thực sự phức tạp,” Amy Bernard, giám đốc khoa học về sinh học tại Quỹ Kavli, người không tham gia dự án nói thêm. “Bây giờ, chúng ta có thể nhìn thấy sự đa dạng tế bào và nắm vững vấn đề.” 

Các nhà thần kinh học thường nghĩ về não dưới góc độ kết nối giữa các tế bào, giống như một sơ đồ dây điện. Nhưng dây điện của não không nói gì về thành phần cá thể của nó. Để hiểu vì sao các tế bào não đa dạng, Lein nói rằng các nhà thần kinh học đang mượn các mánh khéo từ thế giới gen học.

Tất cả các tế bào trong một bộ não nhất định chia sẻ cùng một DNA, nhưng các tế bào khác nhau sử dụng các bộ gen khác nhau, xác định protein mà mỗi tế bào sản xuất. Điều này, Lein nói, “liên quan rất mạnh mẽ đến tất cả các đặc tính khác của tế bào,” hình thành hình dạng của nó như thế nào, cách phát triển và kết nối với các tế bào khác. 

Trong một giai đoạn trước của BRAIN Initiative, các nhà khoa học đã phát triển phương pháp để tạo ra bản đồ tế bào não chuột. Nhưng việc mang những công cụ này đến não người không phải là một công việc nhỏ. Não của chúng ta khoảng 15 lần kích thước của não chuột, với hàng nghìn lần nhiều tế bào thần kinh. Một mục tiêu lớn của công việc này là mở rộng các phương pháp sử dụng trên chuột để “tạo ra một bản đồ giải quyết vấn đề tỷ lệ,” như Lein nói.

Đây là một công việc lớn, dựa vào sự hợp tác giữa 250 nhà nghiên cứu từ 45 tổ chức trên khắp thế giới. “Mọi người quen với những đội ngũ lớn như vậy trong lĩnh vực vũ trụ học, nhưng đây là mới mẻ trong lĩnh vực thần kinh học,” Bernard nói. “Chúng tôi đã tiếp cận bằng cách chia nhỏ và chinh phục,” Ren nói, chia nhau các mẫu từ ba não người được hiến tặng qua các phòng thí nghiệm. Từ đó, các nhà sinh học phân tử đã xếp chuỗi DNA, sau đó chuyển kết quả cho các nhà sinh học tính toán để phân tích.

Trong một nghiên cứu do Ren dẫn đầu, các nhà nghiên cứu phân tích các công tắc phân tử bật tắt và bật lên của các gen khác nhau—cấu hình nội bộ xác định tế bào nào trở thành loại tế bào nơ-ron—trong hơn một triệu tế bào não người. Họ xác định hơn 100 loại tế bào riêng biệt trên 42 vùng não khác nhau, nhiều hơn nhiều so với những gì đội ngũ mong đợi.

Với bộ dữ liệu mở rộng này, đội ngũ huấn luyện mô hình học sâu để đọc chuỗi gen dài và dự đoán cách các biến thể chuỗi không mã hóa—những đoạn DNA khó đọc không chứa hướng dẫn cho các protein cụ thể—tạo hình danh tính tế bào. Ren so sánh nó với việc đọc một cuốn sách bằng một ngôn ngữ nước ngoài. “Ban đầu, bạn không biết gì cả,” Ren nói. Nhưng sử dụng một từ điển được xây dựng bằng các công cụ học máy, “bạn ít nhất có thể hiểu nghĩa của các từ trong chuỗi kí tự dài đó.” Nhiều chuỗi gen này trước đây là không thể đọc được đối với các nhà nghiên cứu, nhưng mô hình học sâu của họ có thể trích xuất các mẫu ẩn và “học được điều gì mà tâm trí của chúng ta chưa thể nắm bắt,” Ren nói. 

Bài báo này đưa các nhà khoa học gần hơn vào khả năng nhận biết cách tế bào của một người hoạt động—và cách chúng có thể phạm phải—from cách gen của họ được điều chỉnh. Các nhà nghiên cứu đã đặc biệt nhấn mạnh một số loại tế bào có vẻ liên quan mạnh mẽ đến các rối loạn thần kinh như tâm thần phân liệt và bệnh Alzheimer. Họ hy vọng rằng bằng cách hiểu não ở mức chi tiết này, họ sẽ có một ngày nào đó có thể truy nguồn gốc gen của các bệnh não và tìm ra phác đồ điều trị chúng. Điều này là “châu báu thánh của nghiên cứu di truyền con người,” như Jennifer Erwin, một nhà gen học phân tử và nhà thần kinh học tại Viện Phát triển Não Lieber, người không tham gia dự án, nói.

Mặc dù châu báu này vẫn còn xa xôi, nhưng đã trong tầm nhìn—và BRAIN Initiative đã tích lũy thêm nhiều nghiên cứu trong hàng năm và đang triển khai. Nỗ lực này tập trung vào việc chuyển đổi các phương pháp phát triển cho não chuột sang não của con người và khỉ, đặc trưng các loại tế bào và tìm hiểu điều gì là duy nhất ở người ở mức phân tử. Hiện nay, nhiều thử nghiệm lâm sàng thất bại vì họ không thể tái tạo kết quả hứa hẹn từ nghiên cứu trên chuột. Với sự hiểu biết tinh tế hơn về nơi não của chuột và não của người giống nhau, và nơi chúng khác nhau, các nhà khoa học sẽ được trang bị tốt hơn để dự đoán liệu một loại thuốc sẽ thất bại ở con người trước khi đi quá sâu vào thử nghiệm. 

Dù nó đã tiết lộ nhiều điều, nhưng không có bản đồ tế bào não nào có thể kể bạn điều gì về sự kết nối, hoặc làm thế nào nơ-ron hình thành mạng và giao tiếp qua các khu vực não. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra một bản đồ về các lối dẫn sợi thần kinh của não hơn một thập kỷ trước với Dự án Kết nối Não Người, nhưng còn rất nhiều công việc phải làm để hiểu cách những kết nối này được hình thành, thay đổi qua thời gian, và làm thế nào chúng tạo ra tư duy và hành vi.

Các chương trình BRAIN Initiative trong tương lai dự định nghiên cứu đa dạng thần kinh trên mọi người, nhưng danh sách các dự án được công bố ngày hôm nay không làm điều đó. Hầu hết các nghiên cứu này phân tích mẫu từ cùng ba bộ não, đều được hiến tặng bởi những người đàn ông neurotypical gốc châu Âu. Với thời gian, công sức và ngân sách thuế cần thiết để thực hiện các thử nghiệm ở quy mô này, các nhà nghiên cứu phải lựa chọn giữa chi tiết phân tử và đa dạng con người. “Bạn có thể mở rộng hoặc bạn có thể sâu sắc, nhưng bạn không thể làm cả hai vào cùng một thời điểm,” Lein nói. 

Các cơ quan tài trợ như NIH thường ưu tiên việc tạo ra dữ liệu mới hơn là việc sử dụng lại dữ liệu hiện tại, nhưng việc sử dụng lại dữ liệu này sẽ rất quan trọng. “Một khi dữ liệu được xuất bản, nó không chết. Nó ở đó để được sử dụng,” Bernard nói. Cô tin rằng, bây giờ khi bản đồ phi thường lớn này đã trực tuyến, nguồn lực nên được chảy vào những người muốn nghiên cứu sâu vào đó—không chỉ là những nhà nghiên cứu muốn thêm vào ngôi đống. “Nên hấp dẫn khi khám phá lại từ dữ liệu cũ,” cô nói. Đội ngũ của Ren đã làm bản đồ công tắc gen của họ trở nên công khai, hy vọng các nhà khoa học sẽ khai thác nó để thúc đẩy việc phát hiện thuốc, nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu lâm sàng.

Các phát hiện này đặt nền móng cho một kỷ nguyên mới của thần kinh học, nơi việc tìm kiếm phác đồ điều trị cá nhân cho các rối loạn não trở nên ít khả thi hơn. “Khoa học có phần là dần dần, nhưng mọi người luôn muốn quảng cáo nó như là đột phá,” Bernard nói. “Đây là cả hai.”