Biểu Hiện Gen Trong Tế Bào Thần Kinh Giải Một Đố Về Tiến Hóa Não năm 2025

Vỏ não nổi bật như một thành tựu đáng kinh ngạc của tiến hóa sinh học. Tất cả các loài động vật có vùng mảnh mảnh này bao phủ não của chúng, và sáu lớp tế bào dày đặc bên trong nó xử lý các phép toán phức tạp và các liên kết tạo ra sự thông minh. Vì không có động vật nào ngoại trừ loài động vật có vỏ não, các nhà khoa học đã tự hỏi làm thế nào một khu vực não phức tạp như vậy đã tiến hóa.

Bộ não của loài bò sát dường như mang đến một gợi ý. Không chỉ là loài bò sát là người thân sống sót gần nhất của loài động vật có vỏ não, mà còn có cấu trúc ba lớp gọi là đỉnh thất thân gồm ba lớp, hoặc DVR, với những đặc điểm chức năng tương đồng với vỏ não. Trong hơn 50 năm qua, một số nhà sinh học tiến hóa đã lập luận rằng vỏ não và DVR đều bắt nguồn từ một đặc điểm nguyên thủy hơn trong một tổ tiên được chia sẻ bởi động vật có vỏ não và loài bò sát.

Tuy nhiên, bằng cách phân tích chi tiết phân tử không thể nhìn thấy bằng mắt người, các nhà khoa học đã phủ nhận quan điểm đó. Bằng cách nhìn vào các mẫu biểu hiện gen trong các tế bào não cá nhân, các nhà nghiên cứu tại Đại học Columbia đã cho thấy rằng mặc dù có sự tương đồng về cấu trúc, vỏ não ở động vật có vú và đỉnh thất thân ở loài bò sát không có mối liên quan. Thay vào đó, có vẻ như động vật có vú đã tiến hóa vỏ não như một khu vực não hoàn toàn mới, được xây dựng mà không có dấu vết của những gì trước đó. Vỏ não bao gồm các loại tế bào não mới mà dường như không có tiền lệ trong các loài động vật tổ tiên.

Bài báo mô tả công việc này, do nhà sinh học tiến hóa và phát triển Maria Antonietta Tosches làm chủ nhiệm, đã được xuất bản vào tháng 9 năm ngoái trên tạp chí Science.

Quá trình đổi mới tiến hóa trong não này không chỉ giới hạn ở việc tạo ra các phần mới. Công việc khác của Tosches và đồng nghiệp trong cùng một số của Science cho thấy rằng ngay cả các khu vực não có vẻ cổ điển cũng tiếp tục tiến hóa bằng cách được kết nối lại với các loại tế bào mới. Việc phát hiện rằng biểu hiện gen có thể tiết lộ những sự khác biệt quan trọng như vậy giữa các tế bào não cũng đang thúc đẩy các nhà nghiên cứu suy nghĩ lại cách họ định nghĩa một số khu vực não và xem xét liệu có những loài động vật có não phức tạp hơn họ nghĩ không.

Các Gen Hoạt Động trong Tế Bào Đơn

Trong những năm 1960, nhà thần kinh học ảnh hưởng Paul MacLean đề xuất một ý tưởng về tiến hóa não mà sai lầm nhưng vẫn để lại ảnh hưởng lâu dài trong lĩnh vực. Ông đề xuất rằng nhóm cấu trúc gần cơ sở của não, được gọi là basal ganglia, là dư thừa từ một “bộ não thằn lằn” đã tiến hóa ở loài bò sát và chịu trách nhiệm cho bản năng và hành vi sống còn. Khi động vật có vú sớm tiến hóa, chúng thêm một hệ thống limbic để điều chỉnh cảm xúc trên basal ganglia. Và khi con người và các động vật có vú tiên tiến khác xuất hiện, theo MacLean, họ thêm vào một vỏ não mới. Như một “mũ suy nghĩ,” nó đứng ở đỉnh của cấu trúc và truyền đạt trí tuệ cao hơn.

Mô hình “não tam bộ” này thu hút trí tưởng tượng của công chúng sau khi Carl Sagan viết về nó trong cuốn sách đoạt giải Pulitzer năm 1977 của ông, The Dragons of Eden. Các nhà sinh học tiến hóa ít ấn tượng hơn. Nghiên cứu nhanh chóng bác bỏ mô hình bằng cách chỉ ra rằng các khu vực não không tiến hóa sạch sẽ chồng lên nhau. Thay vào đó, não tiến hóa như một tổng thể, với các phần cũ trải qua sửa đổi để thích ứng với sự thêm vào của các phần mới, giải thích của Paul Cisek, một nhà nghiên cứu thần kinh nhận thức tại Đại học Montreal. “Đó không phải là việc nâng cấp iPhone của bạn, nơi bạn tải một ứng dụng mới lên,” ông nói.

Giải thích được hỗ trợ tốt nhất cho nguồn gốc của các khu vực não mới là chúng tiến hóa chủ yếu bằng cách sao chép và sửa đổi cấu trúc và mạch thần kinh đã tồn tại. Đối với nhiều nhà sinh học tiến hóa, như Harvey Karten của Đại học California, San Diego, sự tương đồng giữa vỏ não của động vật có vú và DVR của loài bò sát ngụ ý rằng chúng, trong thuật ngữ tiến hóa, là đồng hiệu—rằng chúng đều tiến hóa từ một cấu trúc được truyền từ một tổ tiên chung của động vật có vú và loài bò sát.

Nhưng các nhà nghiên cứu khác, bao gồm cả Luis Puelles của Đại học Murcia ở Tây Ban Nha, không đồng tình. Trong quá trình phát triển của động vật có vú và loài bò sát, họ thấy dấu hiệu cho thấy vỏ não và DVR đã hình thành thông qua các quá trình hoàn toàn khác nhau. Điều này gợi ý rằng vỏ não và DVR tiến hóa độc lập. Nếu như vậy, sự tương đồng của chúng không có liên quan đến đồng hiệu: Đó có lẽ là những trùng hợp được quyết định bởi chức năng và ràng buộc của các cấu trúc.

Cuộc tranh luận về nguồn gốc của vỏ não và DVR kéo dài qua nhiều thập kỷ. Tuy nhiên, hiện nay, một kỹ thuật mới phát triển gần đây đang giúp phá vỡ sự đình trệ. Sequencing RNA tế bào đơn cho phép các nhà khoa học đọc được những gene đang được chuyển thảo trong một tế bào. Từ những hồ sơ biểu hiện gen này, các nhà sinh học tiến hóa có thể xác định một loạt sự khác biệt chi tiết giữa các tế bào não cá nhân. Họ có thể sử dụng những sự khác biệt đó để xác định mức độ tương đồng về mặt tiến hóa của các tế bào não.

“Ưu điểm của việc xem xét biểu hiện gen là bạn đang mô tả cái gì đó so sánh giống như nhau,” nói Trygve Bakken, một nhà nghiên cứu thần kinh phân tử tại Viện Nghiên cứu Não Allen. “Khi bạn so sánh gene A trong một thằn lằn với gene A trong một động vật có vú, chúng ta biết ... rằng đó thực sự là cùng một thứ vì chúng có một nguồn gốc tiến hóa chung.”

Kỹ thuật này đang mở ra một kỷ nguyên mới cho sinh học tiến hóa. “Nó đã cho chúng tôi thấy các dân số tế bào mới mà chúng tôi chỉ đơn giản không biết tồn tại,” nói Courtney Babbitt, một chuyên gia về gen học tiến hóa tại Đại học Massachusetts, Amherst. “Khó để nghiên cứu một điều gì đó mà bạn không biết nó tồn tại.”

Năm 2015, những đột phá trong việc sequencing RNA tế bào đơn đã tăng số lượng tế bào mà nó có thể được sử dụng trong một mẫu lên đến hàng chục lần. Tosches, người đang bắt đầu sự nghiệp sau đại học tại phòng thí nghiệm của Gilles Laurent thuộc Viện Nghiên cứu Não Max Planck ở Đức, hào hứng sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu nguồn gốc của vỏ não. “Chúng tôi nói, ‘OK, hãy thử xem sao,’” cô nhớ lại.

Ba năm sau đó, Tosches và đồng nghiệp công bố kết quả đầu tiên so sánh các loại tế bào thần kinh ở rùa và thằn lằn với những loại tương tự ở chuột và con người. Những sự khác biệt trong biểu hiện gen ngụ ý rằng DVR của bò sát và vỏ não của động vật có vú đã tiến hóa độc lập từ các khu vực khác nhau của não.

“Bài báo năm 2018 thực sự là một bài báo nổi bật vì đó là lần đầu tiên mô tả một cách toàn diện các đặc điểm phân tử của các loại tế bào thần kinh giữa động vật có vú và bò sát,” nói Bradley Colquitt, một nhà nghiên cứu thần kinh phân tử tại Đại học California, Santa Cruz.

Tuy nhiên, để thực sự xác nhận rằng hai khu vực não này không tiến hóa từ cùng một nguồn gốc tổ tiên, Tosches và đội ngũ của cô nhận ra họ cần biết thêm về cách các loại tế bào thần kinh ở động vật có vú và bò sát có thể so sánh với các tế bào não trong một tổ tiên chung cổ điển.

Họ quyết định tìm kiếm dấu hiệu trong não của một loài kỳ nhông gọi là kỳ nhông sắc cạnh. (Nó được đặt tên theo khả năng đẩy xương sườn ra qua da để độc hại và đâm chết kẻ săn mồi.) Kỳ nhông là loài lưỡng cư, chia rẽ khỏi dòng họ chung với động vật có vú và bò sát khoảng 30 triệu năm sau khi động vật bốn chân đầu tiên đi lạc vào đất đai và hàng triệu năm trước khi động vật có vú và bò sát tách khỏi nhau. Giống như tất cả các động vật có xương sống, kỳ nhông có một cấu trúc được gọi là pallium nằm gần phía trước của não. Nếu kỳ nhông có các tế bào não trong pallium giống với các tế bào não trong vỏ não của động vật có vú hoặc DVR của bò sát, thì những tế bào não đó phải đã tồn tại trong một tổ tiên cổ điển mà cả ba nhóm động vật này đều chia sẻ.

Bắt đầu lại với Vỏ não

Trong bài báo năm 2022 của họ, phòng thí nghiệm của Tosches thực hiện sequencing RNA tế bào đơn trên hàng nghìn tế bào não của kỳ nhông và so sánh kết quả với dữ liệu đã thu thập trước đó từ bò sát và động vật có vú. Não nhỏ của kỳ nhông, mỗi cái chiếm khoảng một phần năm mươi so với một não chuột, đã được nghiên cứu viên chuẩn bị và đánh dấu công phu. Sau đó, các bộ não được đặt vào một máy có kích thước tương đương một hộp giày dép chuẩn bị mẫu cho việc sequencing trong khoảng 20 phút. (Tosches lưu ý rằng trước những cải tiến công nghệ gần đây, điều này sẽ mất một năm.)

Sau khi các nhà nghiên cứu phân tích dữ liệu sequencing, câu trả lời cho cuộc tranh luận trở nên rõ ràng. Một số tế bào não trong kỳ nhông khớp với các tế bào não trong DVR của bò sát, nhưng một số không khớp. Điều này ngụ ý rằng ít nhất một số phần của DVR đã tiến hóa từ pallium của một tổ tiên chung với lưỡng cư. Các tế bào không khớp trong DVR dường như là những đổi mới xuất hiện sau khi các dòng họ lưỡng cư và bò sát chia rẽ. Do đó, DVR của bò sát là một sự kết hợp giữa các loại tế bào được thừa kế và mới lạ.

Tuy nhiên, động vật có vú lại là một câu chuyện khác. Những tế bào não của kỳ nhông không khớp với bất kỳ thứ gì trong vỏ não của động vật có vú, mặc dù chúng giống với các tế bào ở một số phần của não động vật có vú ngoài vỏ não.

Hơn nữa, một số loại tế bào trong vỏ não—cụ thể là các loại tế bào hình chóp chiếm đa số tế bào trong cấu trúc—không khớp với các tế bào ở loài bò sát. Do đó, Tosches và đồng nghiệp đề xuất rằng những tế bào này tiến hóa chỉ trong động vật có vú. Họ không phải là những nhà nghiên cứu đầu tiên đề xuất nguồn gốc cho những tế bào này, nhưng họ là những người đầu tiên đưa ra bằng chứng cho điều đó bằng độ phân giải mạnh mẽ của sequencing RNA tế bào đơn.

Tosches và đội ngũ của cô đề xuất rằng hầu hết vỏ não của động vật có vú là một đổi mới tiến hóa. Vì vậy, trong khi ít nhất một phần của DVR của loài bò sát đã được chuyển giao từ khu vực não của một sinh linh tổ tiên, vỏ não của động vật có vú tiến hóa thành một khu vực não mới đầy ắp các loại tế bào mới lạ. Câu trả lời của họ cho những thập kỷ tranh luận là vỏ não của động vật có vú và DVR của loài bò sát không phải là homologous vì chúng không có nguồn gốc chung.

Georg Striedter, một nhà nghiên cứu thần kinh học tại Đại học California, Irvine, người nghiên cứu neurobiology so sánh và hành vi động vật, ca ngợi những phát hiện này là hứng thú và bất ngờ. “Tôi cảm thấy như đang cung cấp bằng chứng rất tốt cho điều mà tôi chỉ đặt giả thuyết,” ông nói.

Câu trả lời mới từ đội ngũ của Tosches không có nghĩa là vỏ não ở động vật có vú tiến hóa để ngồi gọn gàng trên các khu vực não cũ hơn, như lý thuyết về não tam phân đề xuất. Thay vào đó, khi vỏ não mở rộ và các loại tế bào hình chóp mới được sinh ra trong đó, các khu vực não khác tiếp tục tiến hóa theo bước. Chúng không chỉ giữ lại như một “não thằn lằn” cổ điển ở phía dưới. Có thể thậm chí là sự phức tạp xuất hiện trong vỏ não đã thúc đẩy các khu vực não khác tiến hóa—hoặc ngược lại.

Các nhà nghiên cứu Tosches và đồng nghiệp gần đây đã phát hiện ra bằng chứng chứng minh rằng các khu vực não có vẻ cổ điển vẫn đang tiến hóa trong một bài báo nghiên cứu thứ hai xuất hiện trong số tháng 9 năm 2022 của Science. Cô hợp tác với Laurent, người hướng dẫn nghiên cứu sau tiến sĩ của cô, để xem sequencing RNA tế bào đơn có thể làm sáng tỏ về các loại tế bào mới và cũ trong so sánh giữa não của một con thằn lằn và não của một con chuột. Đầu tiên, họ so sánh toàn bộ loạt các loại tế bào thần kinh ở mỗi loài để tìm ra những loại tế bào mà chúng có chung, những loại tế bào này phải đã được truyền lại từ một tổ tiên chung. Sau đó, họ tìm kiếm các loại tế bào thần kinh khác nhau giữa các loài.

Kết quả của họ cho thấy rằng cả loại tế bào thần kinh được bảo toàn và mới lạ đều xuất hiện khắp nơi trong não—không chỉ ở các khu vực não xuất hiện gần đây hơn. Toàn bộ não là một “mảnh ghép” của các loại tế bào cũ và mới, theo lời Justus Kebschull, một nhà nghiên cứu thần kinh tiến hóa tại Đại học Johns Hopkins.

Tái định nghĩa các Định nghĩa

Tuy nhiên, một số nhà khoa học cho rằng việc tuyên bố kết thúc tranh luận không phải là điều dễ dàng như vậy. Barbara Finlay, một nhà nghiên cứu thần kinh tiến hóa tại Đại học Cornell, cho rằng vẫn cần phải xem xét cách tế bào thần kinh được tạo ra và cách chúng di chuyển và kết nối trong quá trình phát triển, thay vì chỉ so sánh nơi chúng kết thúc ở não của động vật lưỡng cư, loài bò sát và động vật có vú ở tuổi trưởng thành. Finlay nghĩ rằng sẽ “tuyệt vời” nếu những phát hiện đó có thể được tổng hợp lại. “Tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ làm được điều đó theo thời gian,” cô nói.

Tosches lưu ý rằng não của động vật lưỡng cư có thể đã mất đi một số phức tạp mà có mặt ở một tổ tiên chung trước đó. Để chắc chắn, Tosches nói rằng nhà nghiên cứu sẽ cần sử dụng sequencing RNA tế bào đơn trên các loài cá xương primitve hoặc các loài động vật lưỡng cư khác còn sống ngày nay. Thí nghiệm này có thể tiết lộ liệu bất kỳ loại tế bào thấy ở động vật có vú có tổ tiên trong các loài động vật trước đây của động vật lưỡng cư không.

Công việc của Tosches và đồng nghiệp còn khiến cho các cuộc thảo luận mới xoay quanh việc liệu lĩnh vực này có nên xem xét lại cái là một vỏ não và cái nào là loài vật có nó. Định nghĩa hiện tại cho rằng vỏ não phải có các lớp thần kinh rõ ràng như vỏ não hoặc DVR, nhưng Tosches coi đó là “gánh nặng” còn lại từ thần kinh học cổ điển. Khi đội của cô sử dụng các công cụ sequencing mới, họ cũng phát hiện chứng cứ về các lớp ở não của con thằn lằn.

“Không có lý do gì, đối với tôi, để nói rằng con thằn lằn hoặc động vật lưỡng cư không có một vỏ não,” Tosches nói. “Tại thời điểm này, nếu chúng ta gọi vỏ não của bò sát là một vỏ não, chúng ta cũng nên gọi pallium của con thằn lằn là một vỏ não.”

Babbitt nghĩ rằng Tosches có một điểm. “Cách mà những thứ này được định nghĩa với hình thái cổ điển có lẽ chỉ không thể giữ được dựa trên các công cụ chúng ta có bây giờ,” Babbitt nói.