Phát hiện mới thách thức hiểu biết về các hệ thần kinh và sự tiến hóa của chúng

Một bài báo mới xuất bản trên tạp chí Science đề xuất những khác biệt cơ bản của kiến trúc mạng thần kinh đã thách thức hiểu biết của chúng ta trước đây về sự tiến hóa của các hệ thần kinh và cách chúng truyền thông tin.

Bằng việc sử dụng các công nghệ tiên tiến, một nhóm nhà khoa học Pawel Burkhardt ở Trung tâm SARS Michael, ĐH Bergen, và Maike Kittelmann từ trường ĐH Brookes Oxford, đã phát hiện ra các kết nối hệ thần kinh của các con sứa lược, một trong những ngành động vật cổ xưa nhất trái đất. Khi tái cấu trúc các neuron từ mạng thần kinh qua một kính hiển vi điện tử 3D, họ phát hiện ra một kiến trúc độc đáo: một mạng thần kinh liên tục. Những phát hiện này thách thức hiểu biết của chúng ta về các hệ thần kinh và sự tiến hóa của chúng.
Thay đổi lý thuyết sinh học thần kinh
Ngay từ khi công trình của các nhà khoa học Santiago Ramón y Cajal và Fridtjof Nansen ở thế kỷ 19, nghiên cứu sinh học thần kinh được giải thích qua lăng kính của chủ nghĩa neuron. Lý thuyết này tuyên bố là các hệ thần kinh tạo ra các tế bào rời rạc. Camillo Golgi thách thức lý thuyết này bằng cách đặt ý tưởng là các neuron bên trong một hệ thần kinh kết nối như một hệ liên tục. Cajal và Golgi cùng nhau đon giải Nobel trong năm 1906 do phát hiện đáng kinh ngạc đó, dẫu cho họ là những người cạnh tranh nhau trong sự nghiệp nghiên cứu.
Lý thuyết của Cajal cuối cùng được chứng minh là đúng bằng việc nhận diện được các tiếp giáp thần kinh gọi là các synapse, thông qua việc phát triển được kính hiển vi điện tử vào nhưng năm 1950, do đó bác bỏ lý thuyết của Golgi. Nhưng những phát hiện mới hiện tại thì chứng tỏ là Golgi cũng đúng.
Tại sao lại là sứa lược?
Các con sứa lược là những sinh vật thu hút bởi sống trong các đại dương xấp xỉ 600 triệu năm. Khi các sinh vật đầu tiên tiến hóa, các con sứa lược là một trong những chủng động vật đầu tiên trên hành tinh. Trong sự tiến hóa sớm của các neuron và các hệ thần kinh, có nhiều cách để thiết lập một hệ thần kinh.
Những nỗ lực trước đây để mô tả sự kết nối của các hệ thần kinh sứa lược đã cho thấy đây là điều vô cùng khó khăn bởi vì các sinh vật này rất mỏng manh, và việc tìm hiểu chúng thông qua phẫu thuật vô cùng thách thức.
Áp dụng kỹ thuật mới để thỏa mãn trí tò mò
Sự hợp tác của Pawel Burkhardt và Maike Kittelmann, một chuyên gia về kính hiển vi điện tử 3D, đã dẫn đến một quan sát quan trọng: chỉ một neuron ở mạng thần kinh của sứa lược đã tạo ra một mạng lưới nhỏ bằng việc kết hợp các quá trình thần kinh của nó, được gọi là neurites, với nhau.
Tò mò muốn khám phá tính không đều này, Pawel và Maike đã thu thập được một bộ dữ liệu 3D lớn hơn nhiều. “Tại Trung tâm Hình ảnh sinh học ở ĐH Oxford Brookes, chúng tôi có một Kính hiển vi điện tử quét cho phép thu thập một cách tự động hàng trăm hình ảnh của một sinh vật. Một trong những bộ dữ liệu đó là năm mạng neuron thần kinh và các nhánh neurites rộng lớn của chúng”, Maike nói. Việc tái cấu trúc các tế bào đó cho thấy một kiến trúc đáng kinh ngạc: chúng hình thành một mạng lưới thần kinh liên tục. “Chúng tôi tìm thấy những khác biệt cơ bản giữa lưới thần kinh của các con sứa lược và các loài thuộc ngành sứa lông châm cũng như các loài động vật khác”, Burkhardt nói. “Điều này thật vô cùng thú vị. Người ta có thể tranh luận về nó: thậm chí nó có thể là một hệ thần kinh không?”.
Bất chấp kiến trúc độc đáo của nó, lưới thần kinh sứa lược hiển thị những đặc điểm chính tìm thấy trong các hệ thần kinh như các neuropeptide và các kênh ion tạo ra các màng.
Những phát hiện này có ý nghĩa gì?
Đặc trưng của lưới thần kinh sứa lược có tiềm năng đem đến thông tin quan trọng về nguồn gốc tiến hóa của các hệ thần kinh. Thông qua việc phát hiện ra điểm độc đáo và các nguyên tắc vận hành bất thường của các neuron sứa lược, nhóm nghiên cứu đề xuất một cách tư duy mới về các kiến trúc hệ thần kinh, do đó giúp tiến trên con đường mới cho một giai đoạn mới về nghiên cứu khoa học thần kinh so sánh.
Kết quả nghiên cứu được công bố trong “Syncytial nerve net in a ctenophore adds insights on the evolution of nervous systems” trên Science1.
Thanh Hương tổng hợp
————————————————
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade5645

Tác giả