Một loài sứa được chỉnh sửa gen mở ra cái nhìn về những tâm trí khác

Chúng ta nợ rất nhiều trong việc hiểu biết về cách bộ nhớ hoạt động trong não cho một loài sứa biển khiêm tốn gọi là Aplysia californicus. Nó dài khoảng một feet, màu nâu đỏ, và đã được các nhà khoa học ưa chuộng từ những năm 1960 vì các tế bào thần kinh của nó đủ lớn để gắn điện cực vào.

Điều này không phải lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã khám phá đáy đại dương để tìm câu trả lời về hệ thống thần kinh của chúng ta: Mực khổng lồ đã dạy chúng ta những nguyên tắc cơ bản về tiềm năng hành động, cách mà tín hiệu lan truyền dọc theo tế bào thần kinh. Con cá mối đã giúp chúng ta hiểu rõ cách hệ thống thị giác của chúng ta hoạt động (mặc dù nó có tám đôi mắt hơn chúng ta). Bạch mã nhỏ giúp ta hiểu về tiến hóa của việc ngủ.

“Có một lịch sử dài, tuyệt vời về việc tìm kiếm các động vật không xương sống biển để trả lời những câu hỏi của thời đại,” nói Brady Weissbourd, một học giả nghiên cứu sau tiến sĩ về sinh học và kỹ thuật sinh học tại Caltech. Weissbourd là tác giả chính của một bài báo gần đây trên tạp chí Cell giới thiệu một loài sứa đã được chỉnh sửa gen để tế bào thần kinh của nó sáng lên khi chúng hoạt động. Điều này có thể mang lại cái nhìn mới về cách hoạt động của những tâm trí hoàn toàn khác biệt với chúng ta.

Con sứa, cụ thể là một loài được tìm thấy ở Địa Trung Hải có tên là Clytia hemisphaerica, là ứng cử viên hoàn hảo cho nghiên cứu khoa học. Khi trưởng thành hoàn toàn, nó rộng khoảng một centimet—nhỏ đủ để đặt trên một lát kính hiển vi—và, giống như nhiều loài sứa khác, nó trong suốt. Các nhà nghiên cứu đã khai thác tiềm năng đó bằng cách đưa một đoạn mã gen gọi là GCaMP, tạo ra một protein huỳnh quang màu xanh. GCaMP đã được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu trên chuột, cá trê, và ruồi, nhưng thực sự nó gốc ban đầu từ một loài sứa có quan hệ chặt chẽ với Clytia, vì vậy đội ngũ của Weissbourd cũng đã phải loại bỏ gen cho bốn protein huỳnh quang màu xanh khác tự nhiên có trong chúng.

Để chèn các gen phát sáng, họ tận dụng chu kỳ sống độc đáo của Clytia. Hệ thống sinh sản của nó được kích hoạt bởi ánh sáng. “Chính xác hai giờ sau khi đèn bật, sứa sẽ thải trứng và tinh trùng vào nước,” Weissbourd nói. Các nhà nghiên cứu bật đèn, thu thập trứng, và tiêm chúng với đoạn mã gen cho đặc điểm huỳnh quang màu xanh mà họ muốn chèn vào, cùng với một protein giúp nối nó vào DNA của sứa.

Những quả trứng được thụ tinh phát triển thành ấu trùng, chúng bơi vòng quanh để tìm một bề mặt cứng để gắn kết—trong tự nhiên, có thể là một tảng đá; trong phòng thí nghiệm, một lát kính hiển vi là sự thay thế hữu ích. Từ đó, chúng phát triển thành một tinh thể nhỏ phát triển thành một tập đoàn. Những tập đoàn này về cơ bản là bất tử, và chúng thải trứng sứa con—sau vài tuần chúng phát triển thành những sinh vật như một chiếc nón tắm mủn chúng ta gọi là sứa. “Chúng giống như một bông hoa hoặc gì đó,” Weissbourd nói. “Nhiệm vụ của chúng là đi ra ngoài và phân tán hạt giống.”

Bây giờ, các nhà nghiên cứu có một sinh vật mà họ có thể quan sát dưới kính hiển vi khi nó ăn uống (một chế độ ăn tôm phè phè) và uốn cong cơ thể, trong khi các tế bào thần kinh điều khiển hành vi đó phát sáng. “Bạn có thể thực hiện các thí nghiệm độ phân giải cao, quan sát hoạt động của mỗi tế bào thần kinh theo thời gian khi động vật đang hành vi,” Weissbourd nói. Họ về cơ bản có thể đọc được tâm trí của nó—và đó là một tâm trí rất khác biệt so với bất kỳ thứ gì chúng ta quen thuộc.

Sứa thuộc nhóm động vật được gọi là nhuyễn thể, cũng bao gồm hoa sen và san hô. Chúng đã tách ra khỏi nhánh tiến hóa của chúng ta khoảng 600 triệu năm trước. “Chúng ta có quan hệ họ hàng gần hơn với một con mực hoặc một con sâu hoặc một con ruồi hơn là với bất kỳ loài sứa nào,” Weissbourd nói.

Chúng không có cái mà chúng ta nghĩ đến là một bộ não. Thay vào đó, Clytia có những gì được gọi là một mạng thần kinh—một mạng lưới các tế bào thần kinh phủ bề mặt dưới của “ô.” Không có sự điều khiển trung ương. Clytia có thể mất một búi tay vẫn tìm kiếm thức ăn. Miệng có thể sống một mình mãi mãi nếu được nuôi. Một câu hỏi đã làm cho các nhà khoa học bối rối là làm thế nào mà sứa có thể phối hợp các cử động của mình, uốn cong cơ thể để đưa một mẩu thức ăn đến miệng của nó, ví dụ, nếu không có cơ quan tổ chức hoặc giao tiếp trực tiếp giữa các phần khác nhau.

Đó là điều mà Weissbourd và đồng nghiệp nghiên cứu trong bài báo của họ, bằng cách cô lập một mạng lưới phân tán của các tế bào thần kinh liên quan đến việc ăn—khoảng 10% của tổng số—và theo dõi chúng kích hoạt. “Một điều nhảy ra là cách mà hệ thống thần kinh cực kỳ modul,” ông nói. Thay vì mô hình hoạt động phân tán khắp mạng thần kinh mà họ mong đợi, họ tìm thấy một mức độ cấu trúc: Mạng thần kinh của sứa dường như được tổ chức thành các lát bánh pizza trước đây không thể nhìn thấy, giống như lát bánh pizza. “Khi một con sứa bắt được một tôm bằng một búi tay, các tế bào thần kinh trong 'lát bánh pizza' gần nhất với búi tay đó sẽ được kích hoạt trước, điều này lại làm cho phần của ô uốn cong vào trong, đưa tôm đến miệng,” giám đốc lab David Anderson giải thích trong một thông cáo báo chí.

Điều này phản ánh cách mà các hệ thống thần kinh của các loài sứa khác, có quan hệ xa hơn, được tổ chức—một số có các đường dẫn thần kinh mang xung kích từ ngoại vi đến trung tâm để đưa thức ăn đến miệng, giống như cách tủy sống của chúng ta truyền các tin nhắn từ chiếc cẳng đến não. “Bởi vì tất cả các loài sứa có cùng kế hoạch cơ thể, chúng có cùng các vấn đề,” Robert Meech, một nghiên cứu viên tại Đại học Bristol nghiên cứu điện sinh học ở sứa nói. “Bạn có thể nhìn thấy cách hai loại mạch này cung cấp các giải pháp khác nhau cho cùng một vấn đề.”

Tìm ra những mạng lưới ẩn này chỉ là bắt đầu. Các nghiên cứu tương lai có thể xem xét các hành vi khác của sứa, hoặc cố gắng để đồng thời hóa toàn bộ hệ thống thần kinh của loài vật. Nghiên cứu sứa cũng có thể cải thiện hiểu biết của chúng ta về quá trình phát triển lịch sử của bộ não. Bằng cách tìm kiếm những đặc điểm chung ở những sinh vật có quan hệ xa, chúng ta có thể xác định khi chúng bắt đầu tiến hóa lần đầu. “Chúng ta biết rất nhiều về loài động vật có vú, nhưng chúng ta không biết nhiều về những loài động vật nổi tiếng sớm như những loài nhuyễn thể,” Simon Sprecher, một giáo sư về thần kinh học tại Đại học Fribourg nói. “Việc nghiên cứu những loài động vật này thực sự quan trọng.”

Những loài nhuyễn thể là một số trong những loài đầu tiên trong lịch sử tiến hóa có tế bào thần kinh giống như chúng ta. Theo thời gian, mạng lưới thần kinh phân tán tiến hóa thành các cụm tế bào thần kinh, và cuối cùng, ở một số loài động vật có xương sống giống cá sớm, một cụm tế bào thần kinh tập trung với các vùng chuyên biệt cho các nhiệm vụ khác nhau: một bộ não.

Nghiên cứu này cũng có thể cho thấy cách mà các hình thức suy nghĩ khác có thể được tổ chức. “Nó cho phép chúng ta nắm bắt vấn đề này là hệ thống thần kinh hoặc hành vi có những lựa chọn gì,” Weissbourd nói. Khó để bạn tự đặt mình vào tâm trí của một con sứa—vòng đời của chúng từ polyp đến bào tử là hoàn toàn xa lạ, hệ thống cơ quan giác quan kỳ quặc của chúng không có gì tương tự với chúng ta. Clytia có cơ quan cân bằng chuyên biệt gọi là statocysts; các loài sứa khác có cảm biến gọi là rhopalia phát hiện ánh sáng hoặc thay đổi hóa học trong nước xung quanh.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát được một số điều có thể được xem xét như trạng thái cảm xúc của chúng ta; ví dụ, Clytia hiển thị một bộ hành vi độc đáo khi sinh sản, và chúng thực hiện hành động ăn nhanh hơn khi chúng đói. “Nhưng chúng có thể có một loạt các trạng thái hệ thống thần kinh khác nhau,” Weissbourd nói.

Các loài sứa được chỉnh sửa gen này là một nền tảng nghiên cứu mới hứa hẹn, theo Sprecher. Các thí nghiệm trong tương lai sẽ nâng cao hiểu biết của chúng ta về hệ thống thần kinh modul, không chỉ trong sứa mà còn trong các loài phức tạp hơn. Đây là những sinh vật cổ đại, nhưng chúng ta biết rất ít về cách chúng nhìn thế giới, hoặc liệu việc nghĩ về chúng như 'nhìn thấy' như loài động vật có vú có ý nghĩa gì không. Việc nhìn vào bên trong chúng có thể giúp cung cấp câu trả lời.

Cập nhật 12-13-2021 1:00 ET: Nghiên cứu về tiềm điện được tiến hành trên trục khổng lồ của mực, không phải trục khổng lồ của mực khổng lồ.

Các câu chuyện Tuyệt Vời Khác từ MYTOUR

• 📩 Tin tức mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Người theo dõi cháy rừng trên Twitter theo dõi các đám cháy ở California
• Một sự thay đổi mới trong cuộc hồi ký hack máy làm kem của McDonald's
• Wish List 2021: Quà tặng cho tất cả những người tốt nhất trong cuộc sống của bạn
• Cách hiệu quả nhất để sửa lỗi trong mô phỏng
• Meta Vũ Trụ là gì, chính xác là gì?
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa từng có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• ✨ Tối ưu hóa cuộc sống tại nhà của bạn với những sản phẩm tốt nhất của đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến nệm giá cả phải chăng đến loa thông minh