Bộ não nhỏ của con người được ghép vào những con chuột bị thương đã phục hồi thị lực cho chúng

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Gần một thập kỷ trước, những bộ não nhỏ đã xuất hiện trong bối cảnh khoa học thần kinh với một lời hứa to lớn: hiểu được bộ não đang phát triển và phục hồi những bộ não bị tổn thương.

Được gọi là các cơ quan não, những khối mô não nhỏ này - có kích thước gần bằng hạt đậu lăng - trông không giống cơ quan nặng ba pound điều khiển cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, bên dưới bề mặt, chúng hoạt động giống một cách kỳ lạ với bộ não của bào thai người. Tế bào thần kinh của họ phát sáng với hoạt động điện. Họ dễ dàng hòa nhập với—và sau đó kiểm soát—cơ bắp, ít nhất là trong một món ăn. Tương tự như bộ não hoàn thiện, chúng sinh ra các tế bào thần kinh mới. Một số thậm chí còn phát triển cấu trúc sáu lớp của vỏ não con người—lớp ngoài cùng, nhăn nheo của bộ não hỗ trợ suy nghĩ, lý luận, phán đoán, lời nói và có lẽ ngay cả ý thức.

Tuy nhiên, một câu hỏi quan trọng ám ảnh các nhà thần kinh học: những mảnh mô não Frankenstein này có thực sự phục hồi một bộ não bị thương không?

A nghiên cứu xuất bản năm Cell Stem Cell tháng này kết luận rằng họ có thể. Sử dụng các cơ quan não được tạo ra từ tế bào người, một nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Han-Chiao Isaac Chen tại Đại học Pennsylvania dẫn đầu đã cấy ghép những bộ não nhỏ vào những con chuột trưởng thành bị tổn thương đáng kể ở vỏ não thị giác của chúng - khu vực hỗ trợ thị giác.

Chỉ trong ba tháng, bộ não nhỏ đã hợp nhất với bộ não của chuột. Khi nhóm nghiên cứu chiếu đèn nhấp nháy cho động vật, các chất hữu cơ tăng vọt với hoạt động điện. Nói cách khác, bộ não nhỏ của con người đã nhận được tín hiệu từ mắt chuột.

Nó không chỉ là tiếng ồn ngẫu nhiên. Tương tự như vỏ não thị giác của chúng ta, một số tế bào thần kinh của bộ não nhỏ dần dần phát triển sở thích đối với ánh sáng chiếu theo một hướng cụ thể. Hãy tưởng tượng bạn đang nhìn vào một món đồ chơi thổi cối xay gió màu đen và trắng khi mắt bạn điều chỉnh theo các sọc chuyển động khác nhau. Nghe có vẻ đơn giản, nhưng khả năng điều chỉnh của mắt bạn—được gọi là “lựa chọn phương hướng”—là một cấp độ xử lý hình ảnh tinh vi rất quan trọng đối với cách chúng ta nhìn nhận thế giới.

Nghiên cứu này là một trong những nghiên cứu đầu tiên cho thấy mô não nhỏ có thể tích hợp với vật chủ trưởng thành bị thương và thực hiện chức năng dự định của nó. So với những nỗ lực cấy ghép tế bào gốc trước đây, các mô nhân tạo có thể thay thế một phần não bị thương hoặc thoái hóa trong tương lai—nhưng vẫn còn nhiều cảnh báo.

“Các mô thần kinh có khả năng tái tạo lại những vùng não bị tổn thương,” nói Trần. “Chúng tôi chưa giải quyết được mọi việc, nhưng đây là bước đầu tiên rất vững chắc.”

Cuộc sống nhỏ bé của bộ não nhỏ

Brain organoids đã có một chuyến đi tuyệt vời. Được thiết kế lần đầu tiên vào năm 2014, chúng ngay lập tức thu hút sự quan tâm của các nhà thần kinh học như một mô hình chưa từng có của bộ não.

Các bán não được tạo ra từ nhiều nguồn để bắt chước các vùng khác nhau của não. Một ứng dụng ngay lập tức là kết hợp công nghệ này với iPSC (tế bào gốc đa năng cảm ứng) để nghiên cứu các rối loạn phát triển thần kinh, chẳng hạn như tâm thần phân liệt hoặc tự kỷ.

Tại đây, các tế bào da của bệnh nhân được biến đổi trở lại trạng thái giống như tế bào gốc, có thể tiếp tục phát triển thành mô 3D của não họ. Vì con người và bộ não nhỏ có chung gen nên có thể sao chép một phần bộ não của người đó trong quá trình phát triển—và có khả năng tìm kiếm các phương pháp chữa trị mới.

Kể từ khi được sinh ra, những bộ não nhỏ hiện đã mở rộng về kích thước, độ tuổi và sự tinh vi. Một bước nhảy vọt lớn là một cung cấp máu phù hợp. Bộ não của chúng ta gắn bó mật thiết với các mạch máu, nuôi dưỡng các tế bào thần kinh và mạng lưới thần kinh của chúng ta bằng oxy và chất dinh dưỡng để cung cấp năng lượng. Bước đột phá đến vào năm 2017, khi một số nhóm chỉ ra rằng việc cấy ghép các chất hữu cơ của con người vào não loài gặm nhấm đã kích hoạt các mạch máu của vật chủ tích hợp và “nuôi” mô não có cấu trúc, cho phép nó phát triển hơn nữa thành cấu trúc não phức tạp bên trong vật chủ. Các nghiên cứu gây ra một cơn bão lửa của cuộc thảo luận trong lĩnh vực này, với các nhà đạo đức sinh học và các nhà nghiên cứu đều tự hỏi liệu các chất hữu cơ của con người có thể thay đổi nhận thức hoặc hành vi của loài gặm nhấm hay không.

Chen có một ý tưởng khác, nếu thách thức hơn. Hầu hết các nghiên cứu trước đây đều cấy ghép những bộ não nhỏ thành loài gặm nhấm trẻ sơ sinh để nuôi dưỡng các chất hữu cơ và dễ dàng hợp nhất chúng với bộ não đang phát triển.

Ngược lại, bộ não của người trưởng thành có nhiều nếp gấp hơn. Các mạch thần kinh đan xen chặt chẽ—bao gồm cả tín hiệu và chức năng của chúng—đã được thiết lập. Ngay cả khi bị thương, khi não đã sẵn sàng để sửa chữa, việc nhét thêm các mảnh ghép cơ quan của con người như Băng cá nhân có thể hỗ trợ các mạch thần kinh bị hỏng — hoặc can thiệp vào các mạch đã được thiết lập.

Nghiên cứu mới của Chen đã đưa lý thuyết này vào thử nghiệm.

Một sự hợp nhất bất ngờ

Để bắt đầu, nhóm nghiên cứu đã nuôi cấy các chất hữu cơ trong não bằng dòng tế bào gốc có thể tái tạo của con người. Sử dụng một công thức hóa học đã được kiểm chứng trước đó, các tế bào được tạo thành những bộ não nhỏ mô phỏng các phần phía trước của vỏ não (quanh trán).

Đến ngày thứ 80, nhóm nghiên cứu đã nhìn thấy các lớp vỏ não thô sơ trong cơ quan, cùng với các tế bào được tổ chức theo cách giống như một bộ não đang phát triển. Sau đó, họ cấy ghép các chất hữu cơ vào vỏ thị giác bị tổn thương của những con chuột trưởng thành.

Chỉ một tháng sau khi cấy ghép, các mạch máu của vật chủ đã hợp nhất với mô người, cung cấp cho nó lượng oxy và chất dinh dưỡng rất cần thiết, đồng thời cho phép nó phát triển và trưởng thành hơn nữa. Những bộ não nhỏ đã phát triển vô số tế bào não khác nhau—không chỉ tế bào thần kinh, mà còn cả tế bào não “hỗ trợ” như tế bào hình sao và tế bào miễn dịch chuyên biệt được gọi là microglia. Hai loại sau không thể bỏ qua: chúng có liên quan đến lão hóa não, bệnh Alzheimer, chứng viêm và nhận thức.

Nhưng bộ não nhỏ của con người được cấy ghép có thể hoạt động bên trong một con chuột không?

Trong thử nghiệm đầu tiên, nhóm đã sử dụng một công cụ đánh dấu phổ biến để lập bản đồ các kết nối giữa cơ quan và mắt của động vật. Tương tự như thuốc nhuộm, chất đánh dấu là một loại vi-rút nhảy giữa các kết nối thần kinh—được gọi là khớp thần kinh—đồng thời mang một loại protein phát sáng màu xanh lá cây dưới kính hiển vi huỳnh quang. Giống như một tuyến đường được đánh dấu trên Google Maps, luồng ánh sáng kết nối rõ ràng với bộ não nhỏ được cấy ghép, nghĩa là mạch của nó được liên kết, thông qua nhiều khớp thần kinh, với mắt của chuột.

Câu hỏi thứ hai: mô cấy ghép có thể giúp chuột “nhìn thấy” không? Sáu trong số tám loài động vật, việc bật hoặc tắt đèn đã kích hoạt phản ứng điện, cho thấy các tế bào thần kinh của con người phản ứng với kích thích bên ngoài. Các tác giả cho biết mô hình hoạt động điện tương tự như mô hình tự nhiên được thấy trong vỏ não thị giác, “cho thấy rằng các tế bào thần kinh cơ quan có khả năng phản ứng ánh sáng tương đương với tế bào thần kinh vỏ não thị giác,” các tác giả cho biết.

Trong một thử nghiệm khác, các mảnh ghép đã phát triển các tế bào thần kinh “kén cá chọn canh” ưa thích sự chọn lọc định hướng cụ thể đối với ánh sáng—một điều kỳ lạ gắn liền với khả năng nhận thức thế giới của chúng ta. Khi được thử nghiệm với các cách tử ánh sáng khác nhau nhấp nháy từ đen sang trắng, sở thích tổng thể của các tế bào thần kinh được ghép bắt chước sở thích của các tế bào thần kinh khỏe mạnh bình thường.

“Chúng tôi thấy rằng một số lượng lớn tế bào thần kinh trong cơ quan phản ứng với các hướng ánh sáng cụ thể, điều này cho chúng tôi bằng chứng rằng các tế bào thần kinh cơ quan này không chỉ có thể tích hợp với hệ thống thị giác mà còn có thể áp dụng các chức năng rất cụ thể của thị giác. vỏ não,” Chen nói.

Mô não Plug-and-Play?

Nghiên cứu cho thấy những bộ não nhỏ có thể nhanh chóng thiết lập mạng lưới thần kinh với não của vật chủ, với tốc độ nhanh hơn nhiều so với việc cấy ghép các tế bào gốc riêng lẻ. Nó cho thấy một công dụng mạnh mẽ của công nghệ: sửa chữa những bộ não bị tổn thương với tốc độ chưa từng thấy.

Nhiều câu hỏi vẫn còn. Đầu tiên, nghiên cứu được thực hiện trên chuột được cho dùng thuốc ức chế miễn dịch để ức chế thải ghép. Hy vọng cho những bộ não nhỏ là chúng sẽ được nuôi cấy từ tế bào của chính bệnh nhân, loại bỏ nhu cầu dùng thuốc ức chế miễn dịch - một hy vọng vẫn chưa được thử nghiệm đầy đủ. Một vấn đề khác là làm thế nào để “tuổi” của bộ não nhỏ phù hợp nhất với “tuổi” của vật chủ, để không làm gián đoạn các tín hiệu thần kinh nội tại của người đó.

Bước tiếp theo của nhóm là hỗ trợ các vùng não bị tổn thương khác bằng cách sử dụng các bộ não nhỏ, đặc biệt là những vùng não bị tổn thương do thoái hóa do tuổi tác hoặc bệnh tật. Việc bổ sung các công nghệ không xâm lấn, chẳng hạn như điều biến thần kinh hoặc “phục hồi chức năng” trực quan của các tế bào thần kinh, có thể giúp bộ phận cấy ghép tích hợp hơn nữa vào mạch của vật chủ và có khả năng nâng cao chức năng của chúng.

“Bây giờ, chúng tôi muốn hiểu làm thế nào các chất hữu cơ có thể được sử dụng trong các vùng khác của vỏ não, không chỉ vỏ não thị giác và chúng tôi muốn hiểu các quy tắc hướng dẫn cách các tế bào thần kinh hữu cơ tích hợp với não để chúng tôi có thể kiểm soát quá trình đó tốt hơn và làm cho nó diễn ra nhanh hơn,” Chen nói.

Ảnh: Jgamadze và cộng sự.