Ảnh minh họa: Photonics21

Trước khi chào đời, phần lớn bộ não con người được định hình bởi một nhóm tế bào gốc đặc biệt gọi là tế bào thần kinh đệm hướng tâm. Đây là các tế bào đóng vai trò quyết định loại tế bào não nào sẽ được tạo ra, thời điểm chúng xuất hiện cũng như cách vỏ não phát triển.

Tế bào thần kinh đệm hướng tâm tạo ra phần lớn neuron cùng các tế bào hỗ trợ trong vỏ não, khu vực đảm nhiệm nhiều chức năng như suy nghĩ, ngôn ngữ và ký ức. Các nhà khoa học cho rằng chúng cũng góp phần vào sự mở rộng mạnh mẽ của vỏ não người trong quá trình tiến hóa.

Hai nghiên cứu mới, được xuất bản trên tạp chí Cell và Science, đã cung cấp những góc nhìn mới về cách các tế bào này quyết định sẽ trở thành loại tế bào nào.

Trong nghiên cứu trên tạp chí Cell, nhóm khoa học tại UCLA đã lập bản đồ hoạt động trao đổi chất trong vỏ não người đang phát triển bằng cách sử dụng mô não người hiến tặng cùng các mô hình não thu nhỏ được nuôi cấy từ tế bào gốc.

Các nhà nghiên cứu phát hiện quá trình trao đổi chất không chỉ cung cấp năng lượng và nguyên liệu cho tế bào mà còn có thể ảnh hưởng trực tiếp đến số phận của tế bào gốc.

Tế bào thần kinh đệm hướng tâm phụ thuộc đáng kể vào con đường pentose phosphate, một quá trình sử dụng glucose để tạo ra các phân tử cần thiết cho những tế bào phân chia nhanh.

Khi làm giảm lượng glucose hoặc can thiệp vào con đường này, các tế bào thần kinh đệm hướng tâm thay đổi hoạt động. Thay vì duy trì tỷ lệ tế bào như bình thường, chúng tạo ra nhiều neuron ức chế hơn cùng một số loại tế bào vốn thường xuất hiện ở giai đoạn phát triển muộn hơn.

Bà Aparna Bhaduri, trợ lý giáo sư hóa sinh tại Trường Y khoa David Geffen thuộc UCLA, cho biết phát hiện này cho thấy trao đổi chất không phải quá trình thụ động mà có thể tham gia kiểm soát cách tế bào gốc đưa ra quyết định.

Kết quả nghiên cứu này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách dinh dưỡng của người mẹ, các rối loạn chuyển hóa và những yếu tố môi trường tác động đến não bộ trong giai đoạn bào thai.

Nghiên cứu thứ hai, đăng trên Science dưới sự dẫn dắt của bà Claudia Nguyen, đã tập trung vào cấu trúc đồi thị nằm sâu trong não có nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin trong hệ thần kinh.

Các neuron đồi thị gửi những sợi dài về phía vỏ não từ rất sớm, trước khi các kết nối thần kinh hoàn chỉnh được hình thành. Sử dụng các mô hình não liên kết từ tế bào gốc của người, nhóm nghiên cứu đã phát hiện các sợi chiếu đồi thị tiếp xúc trực tiếp với tế bào thần kinh đệm hướng tâm trong giai đoạn phát triển sớm.

Sự tiếp xúc vật lý này làm thay đổi hoạt động của tế bào gốc. Khi nhận tín hiệu từ các sợi chiếu đồi thị, tế bào thần kinh đệm hướng tâm tạo ra nhiều neuron hưng phấn. Đây vốn là nhóm tế bào đóng vai trò chính trong truyền tín hiệu ở vỏ não. Tác động đặc biệt rõ ở các neuron tầng trên, quần thể đã mở rộng đáng kể trong quá trình tiến hóa não người.

Các nhà nghiên cứu cho rằng đây là một điểm tiếp xúc vật lý chưa từng được xác định trước đó và có thể là đặc điểm đặc trưng của quá trình phát triển não người.

Nhóm nghiên cứu đã kết nối điểm tiếp xúc này với một gen mang tên NRXN1 có vai trò trong hình thành các kết nối thần kinh. Trước đây, các biến thể của gen NRXN1 đã được liên hệ với chứng rối loạn phổ tự kỷ.

Khi tạo mô hình assembloid từ tế bào của bệnh nhân mang biến thể NRXN1, nhóm nghiên cứu nhận thấy tín hiệu từ đồi thị hoạt động khác so với tế bào không mang biến thể. Điều này làm thay đổi sự cân bằng giữa tế bào thần kinh đệm hướng tâm và các neuron mà chúng tạo ra.

Hai nghiên cứu cùng cho thấy tế bào gốc thần kinh không hoạt động độc lập mà liên tục tiếp nhận thông tin từ môi trường. Trao đổi chất và các kết nối vật lý đều có thể chủ động định hướng quá trình phát triển của chúng.

Theo bà Bhaduri, việc làm rõ những cơ chế này có thể giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về sự hình thành của não bộ, những thay đổi liên quan đến các rối loạn thần kinh và cách các chương trình tế bào gốc tương tự có thể hoạt động trong môi trường ung thư não.