Tại sao bạn không thể tìm hiểu về bộ não con người từ khỉ, chuột và chuột

Phần lớn chi tiêu nghiên cứu khoa học thần kinh và kết quả được công bố liên quan đến các nghiên cứu được thực hiện trên chuột, chuột và khỉ. Kết quả của những điều này thường được trình bày như là đại diện phổ quát cho chức năng não giữa các loài. Chắc chắn rằng tất cả các bộ não của động vật có vú đều có một số điểm tương đồng về cấu trúc và chức năng, và các hệ thống này cung cấp thông tin chi tiết về bản chất của các quá trình tế bào. Hơn nữa, ít nhất là về mặt hình thái, các tế bào thần kinh trông giống nhau. Tất cả những điều này có thể cực kỳ hữu ích trong việc thử nghiệm các kỹ thuật và hiểu các khái niệm chung. Nhưng ngoại suy những phát hiện cụ thể từ những sinh vật này cho con người có thể gây hiểu lầm.

Rõ ràng là bộ não con người tạo ra nhiều khả năng độc đáo hơn các loài khác. Câu hỏi đặt ra là những khác biệt này biểu hiện ở mức độ nào và chúng ta phải vẽ ranh giới ngoại suy ở đâu.

Phương pháp tiếp cận cấp độ tế bào để hiểu chức năng não

Có ba lĩnh vực nghiên cứu chính về chức năng não ở cấp độ tế bào – biểu hiện gen, quyết định bộ công cụ phân tử và các thành phần mà tế bào xây dựng và sử dụng để hình thành các kết nối và điều chỉnh hoạt động của nó, độ dẻo khớp thần kinh, xem xét cách các tế bào thần kinh kết nối và thay đổi bản chất của các kết nối của chúng để đáp ứng với các kích thích, và hoạt động tăng đột biến – các loại mô hình thời gian mà nó tạo ra để đáp ứng với một kích thích hoặc liên quan đến các hành vi.

Nghiên cứu độ dẻo của khớp thần kinh và các mô hình tăng đột biến của các tế bào thần kinh rất xâm lấn và đòi hỏi sự tiếp cận trực tiếp với mô. Hầu hết các thí nghiệm được thực hiện bằng cách chiết xuất mô từ não của chuột và chuột và nuôi nó trong một cái đĩa. Chúng được gọi là thí nghiệm in vitro , tức là được thực hiện trong một món ăn và yêu cầu hy sinh con vật. Một cách tiếp cận khác liên quan đến việc mở hoặc khoan lỗ trên hộp sọ của chuột, chuột hoặc khỉ để đặt các điện cực hoặc cung cấp vật liệu di truyền tạo ra các phân tử (ví dụ, những phân tử huỳnh quang) cho phép hình ảnh tế bào. Trong trường hợp này, bạn có thể nghiên cứu hoạt động của các tế bào và mô trong cơ thể hoặc trong khi con vật đang tỉnh táo và cư xử. Tuy nhiên, cả hoạt động khớp thần kinh và tăng đột biến tế bào thần kinh đều không thể dễ dàng nghiên cứu ở người trừ khi họ đang trải qua phẫu thuật não cho một số mục đích khác và đồng ý với một số thăm dò thử nghiệm tự nhiên đi kèm với rủi ro. Mặt khác, biểu hiện gen được nghiên cứu dễ dàng hơn giữa các loài bằng cách sử dụng các mẫu mô sau khi chết và có liên quan chặt chẽ đến độ dẻo của khớp thần kinh và bắn gai.

Biểu hiện gen trong não người so với các loài khác

Bộ não con người biểu hiện một kho gen lớn hơn nhiều so với bất kỳ loài nào khác. Một nghiên cứu cho thấy có tới 2014 gen được biểu hiện khác nhau trong não người so với não tinh tinh (Khaitovich và cộng sự). Hơn nữa, các gen này trải rộng trên tất cả các quá trình tế bào đã biết, từ sự biệt hóa và phát triển tế bào thần kinh đến truyền khớp thần kinh và truyền tín hiệu và thậm chí cả quá trình trao đổi chất. Đây là một dấu hiệu mạnh mẽ cho thấy các tế bào có một số khác biệt khá toàn cầu về cách chúng hoạt động. Cũng đáng chú ý là kết quả từ Viện Allen về sự khác biệt trong biểu hiện gen giữa chuột và người. Họ phát hiện ra rằng các mô hình biểu hiện gen liên quan đến các bệnh khác nhau ở người như Alzheimer không được quan sát thấy ở chuột, cho thấy đây là một lý do tại sao các loại thuốc có tác dụng đối với não chuột thường không có tác dụng ở người.

Điều thú vị là Khaitovich và cộng sự (nhóm của Svante Paabo) cũng tìm thấy khá nhiều sự đa dạng giữa con người nói rằng sự khác biệt giữa các vùng não trong bất kỳ cá nhân nào ít hơn nhiều so với sự khác biệt giữa các cá nhân. Một nghiên cứu khác gần đây hơn (đọc thêm về nó tại đây) cho thấy các tế bào thần kinh riêng lẻ thực sự chỉnh sửa gen của chúng và do đó có thể có các mô hình biểu hiện khác nhau từ tế bào này sang tế bào khác. Cuối cùng, hành vi hoặc bối cảnh môi trường có thể thay đổi các mẫu biểu hiện gen (đọc thêm tại đây). Nhiều nguồn đa dạng tế bào này và sự đa dạng lớn hơn của trải nghiệm giữa những người so với các loài khác làm tăng thêm một lớp phức tạp khác.

Tất cả điều này có nghĩa là bộ não về cơ bản khác biệt và rất đa dạng ở con người so với các loài khác. Những gì hiệu quả với chuột và khỉ không có khả năng hiệu quả với con người và những gì hiệu quả với người này thậm chí có thể không hiệu quả với người khác.

Câu chuyện về thần kinh đệm

Tuy nhiên, câu chuyện lớn có thể nổi lên là sự khác biệt lớn nhất không phải ở tế bào thần kinh, là các tế bào liên quan đến tín hiệu điện nhanh, mà là ở thần kinh đệm. Số lượng tế bào thần kinh đệm nhiều hơn các tế bào thần kinh trong não người gần 1,4 lần nhưng từ lâu đã được cho là chỉ đóng vai trò quản lý. Tuy nhiên, một nghiên cứu từ phòng thí nghiệm Nedergaard đã chỉ ra rằng tế bào hình sao của con người (một loại tế bào thần kinh đệm) có đường kính lớn hơn 2,6 lần, mở rộng các quá trình gấp 10 lần ở người và có nhiều loại phụ phức tạp hơn ở chuột. Chúng cũng lan truyền sóng Ca2 + nhanh gấp 4 lần so với sóng ở chuột. Các nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Ben Barres cho thấy thần kinh đệm đóng một vai trò quan trọng và tích cực hơn trong việc điều chỉnh hành vi của tế bào thần kinh so với suy nghĩ trước đây. Tuy nhiên, thú vị nhất trong số những phát hiện này là tế bào hình sao của con người phản ứng mạnh mẽ hơn nhiều với glutamate so với chuột (Zhang và cộng sự). Glutamate là phân tử tín hiệu tế bào thần kinh phổ biến nhất trong não, điều này cho thấy rằng thần kinh đệm có thể có vai trò lớn hơn trong việc định hình động lực học điện của não người.

Với những khác biệt giữa thần kinh đệm ở người và chuột, có lẽ không có gì ngạc nhiên khi nơi biểu hiện gen khác nhau nhất giữa chuột và người là ở thần kinh đệm chứ không phải tế bào thần kinh. Một nghiên cứu của Hawrylycz và cộng sự từ Viện Allen cho thấy sự khác biệt lớn hơn giữa biểu hiện gen không phải tế bào thần kinh, Zhang và cộng sự (phòng thí nghiệm Barres) đã chỉ ra sự khác biệt lớn trong biểu hiện gen của tế bào hình sao ở chuột và người, và phòng thí nghiệm Pavlidis quan sát thấy rằng các mô hình biểu hiện gen giữa tế bào thần kinh và tế bào oligodendrocytes (một loại tế bào thần kinh đệm khác) thực sự đã được hoán đổi.

Những kết quả này cho thấy các tế bào não của con người có thể hoạt động hoàn toàn khác. Người ta có thể tưởng tượng sự tương tự rằng nghiên cứu một loại nguyên tử để suy ra các tính chất của một loại khác có thể không phải là cách tiếp cận tốt nhất, và bằng cách tương tự, nghiên cứu các tế bào thần kinh từ một loại động vật để suy ra điều gì đó về một loại động vật khác. Điều này làm cho cách tiếp cận từ dưới lên trở nên cực kỳ phức tạp và đặt ra nghi ngờ lớn về sự liên quan đến con người của hầu hết mọi kết quả sinh lý thu được từ các loài khác.

Chúng ta sẽ đi đâu từ đây?

Phần lớn nghiên cứu trên động vật có nguồn gốc từ một khuôn khổ giản lược cho rằng để hiểu một hệ thống, người ta phải biết chức năng và hành vi của các yếu tố của nó. Sau đó, người ta có thể suy ra hành vi tổng thể của hệ thống. Nếu chúng ta đăng ký vào khuôn khổ như vậy thì với những gì chúng ta biết về sự khác biệt giữa động vật và con người, chúng ta sẽ phải thực hiện nhiệm vụ khổng lồ không chỉ hiểu một tế bào thần kinh ở một người mà còn hàng tỷ tế bào thần kinh và thần kinh đệm có khả năng duy nhất về mặt di truyền ở mỗi người. Nhiệm vụ về mặt kỹ thuật là khổng lồ.

Và tất nhiên, có câu hỏi liệu cách tiếp cận từ dưới lên có phải là con đường đúng đắn cho những gì chúng ta muốn đạt được trong sự hiểu biết của chúng ta về bộ não con người hay không. Hãy xem xét rằng khi chúng ta muốn hiểu các đặc tính của một vật liệu mô tả bản chất và tiện ích của nó, điều quan trọng là các đặc điểm vĩ mô của nó như màu sắc và độ cứng. Chúng tôi không tìm cách dự đoán những điều này thông qua việc đo lường các spin electron của mỗi nguyên tử và năng lượng liên kết của chúng (có thể hoạt động tốt trong một số thời gian nhưng sẽ quá tốn kém và thách thức về mặt kỹ thuật) mà tìm kiếm các công cụ đo lường cấp hệ thống khác nhau dễ dàng hơn nhiều và cuối cùng là thông tin thực tế hơn. Về cơ bản, nó phụ thuộc vào những gì chúng ta đang cố gắng hoàn thành và cách chúng ta muốn khoa học đóng góp vào sự hiểu biết và chăm sóc của nhân loại đối với bộ não con người.