Bộ não lai: Cấy ghép tế bào thần kinh của người vào não động vật

Trong một phòng thí nghiệm tối ở London, một nhóm sinh viên và nhà nghiên cứu theo dõi một nhóm tế bào não người đang tìm cách "định cư" trong một cơ quan mới: não chuột sống. Hình ảnh kính hiển vi cho thấy các nhóm tế bào não người sáng lên và tối đi theo từng chu kỳ hoạt động. Dần dần, chúng mọc ra các kết nối mới dài vài cm và tạo thành mạng lưới với nhau.

Đây là một thí nghiệm bất thường. Phòng thí nghiệm này là một trong số ít có thể nghiên cứu các tế bào thần kinh của người sau khi chúng được cấy ghép sang một bộ não động vật khác đang phát triển. Ở hầu hết mọi tổ chức nghiên cứu, quy trình này không thể thực hiện được vì lý do đạo đức và kỹ thuật.

“Thông thường không thể nghiên cứu quá trình trưởng thành và hình thành mạng lưới hoạt động của các tế bào thần kinh vì chúng chỉ diễn ra trong bộ não đang phát triển của thai nhi," Vincenzo De Paola, người điều hành phòng thí nghiệm tại Imperial College London, nói. “Thay vào đó, chúng tôi nghiên cứu các quá trình này bằng cách đưa tế bào não người vào trong một bộ não động vật sống."

Thí nghiệm của De Paola là một dạng chimaera thần kinh - lĩnh vực nghiên cứu đã phát triển rất mạnh trong 5 năm qua và làm dấy lên tranh luận về đạo đức xung quanh việc ghép mô não người và động vật. (Chimaera, lấy tên từ quái vật đầu dê mình sư tử trong thần thoại Hy Lạp, là thuật ngữ sinh học chỉ những quy trình cấy ghép khác loài.) Những người ủng hộ nói rằng các thí nghiệm như vậy là cần thiết để hiểu các tế bào thần kinh sống của con người, mang lại những hiểu biết quan trọng về sức khỏe và bệnh tật. Ví dụ, bằng cách sử dụng chimaera thần kinh, các nhà khoa học đã tìm thấy sự khác biệt của các tế bào thần kinh trong hội chứng Down và bệnh Alzheimer.

Nhưng những người phản đối thì cho rằng những thí nghiệm chimaera như vậy nằm trong một vùng xám đạo đức, vì chúng làm mờ ranh giới giữa con người và các động vật khác, hoặc có thể tạo ra nhận thức của con người ở động vật.

Lịch sử sinh học có rất nhiều thí nghiệm cấy ghép khác loài. Bắt đầu từ đầu những năm 1900, các nhà phôi học đã cắt và ghép các mảnh phôi thai từ các loài động vật khác nhau - chẳng hạn như ghép một con gà với một con chim cút, để tìm xem các tín hiệu điều chỉnh quá trình phát triển phôi bắt nguồn từ đâu, nhà sinh học phát triển Ali Brivanlou tại Đại học Rockefeller cho biết.

Các nhà nghiên cứu cũng từng đưa các yếu tố của người như nội tạng, tế bào hoặc gen vào các động vật khác. Thông thường, lý do chính là để hiểu rõ hơn về cách các hệ thống sinh học hoạt động, hoặc để tìm ra các phương pháp điều trị bệnh. Các nhà nghiên cứu ung thư thường xuyên cấy ghép khối u của người vào chuột và từ cuối những năm 1980, họ đã tạo ra những con chuột có hệ thống miễn dịch của người. Vài tháng trước, các nhà nghiên cứu đã cấy ghép thận lợn biến đổi gen và tim lợn vào người.

Nhưng việc cấy ghép chimaera tế bào thần kinh của con người mới chỉ diễn ra trong thập kỷ qua. Năm 2013, nhóm nhà khoa học thần kinh Pierre Vanderhaeghen, khi đó thuộc Đại học Libre de Bruxelles, đã hoàn thiện một quy trình tinh vi để phát triển tế bào thần kinh của người, từ tế bào gốc, trong não chuột sau khi cấy ghép.

Năm 2016, Viện Y tế Quốc gia Mỹ đề xuất dỡ bỏ lệnh cấm tài trợ cho các nghiên cứu sử dụng phôi động vật có chứa tế bào người. Các ý kiến từ công chúng, phần lớn bày tỏ sự phản đối, đổ dồn về cơ quan này. (Đến nay Mỹ đã cho phép nghiên cứu chimaera thần kinh, nhưng lệnh cấm sử dụng tài trợ của chính phủ cho các nghiên cứu phôi lai giữa người-động vật vẫn còn hiệu lực.) Nhưng một cuộc khảo sát năm 2020 trên 430 người ở Mỹ cho thấy 59% ủng hộ nghiên cứu phôi chimaera. Nhưng phôi là một chuyện, mô thần kinh có thể không được mọi người dễ chấp nhận như vậy, Insoo Hyun, nhà nghiên cứu đạo đức tại Trường Y Harvard, cho biết. "Mọi người liên kết não với khả năng đạo đức. Các nhà nghiên cứu cho biết không có nghiên cứu nào tiến gần đến việc tạo ra nhận thức giống con người ở động vật, nhưng chimaera thần kinh đặt ra câu hỏi: tại điểm nào bộ não của động vật trở nên quá giống người?" Hyun nói.

Trong 5 năm qua, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số cách để tạo ra các chimaera thần kinh. Cách đơn giản nhất để theo dõi các quá trình của tế bào thần kinh của người là chỉ cấy ghép một vài tế bào. Nhóm Vanderhaeghen, hiện thuộc Viện Công nghệ Sinh học Flemish Bỉ (VIB), đã làm điều này với các tế bào thần kinh hình tháp - loại tế bào thần kinh chiếm đa số trong vỏ não người, để xem cách các tế bào kết nối với nhau trong khoảng thời gian dài ở một động vật sống. Họ đã cấy các tế bào đơn lẻ vào vỏ não của một con chuột mới sinh.

Các tế bào thần kinh của người mất 6 đến 12 tháng để trưởng thành, như thông thường, còn tế bào chuột chỉ mất 5 tuần. Ngay cả trong môi trường của não chuột, tế bào thần kinh của người vẫn hoạt động theo khung thời gian ban đầu của chúng, Vanderhaeghen nói. “Điều này cho thấy về bản chất, thời gian phát triển được mã hóa trong chính các tế bào thần kinh.”

Cũng trong thí nghiệm của nhóm Vanderhaeghen, các tế bào thần kinh của người vẫn phát triển bình thường sau khi được cấy ghép sang não chuột - được tích hợp vào mạch thị giác của chuột, chúng phản ứng giống như các tế bào chuột với các kích thích thị giác. Điều đáng ngạc nhiên là các tế bào thần kinh của người nằm trong một bộ não ngoại lai và hoạt động bình thường.

Sau đó, nhóm Vanderhaeghen cấy ghép các tế bào thần kinh khỏe mạnh của người vào não của những con chuột có khuynh hướng di truyền mắc bệnh Alzheimer. Kết quả, các tế bào thần kinh của người bị thoái hóa, trong khi các tế bào thần kinh của chuột vẫn sống. Có nghĩa là các tế bào thần kinh của người đặc biệt dễ bị tổn thương do Alzheimer, và các nhà nghiên cứu có cơ hội theo dõi những gì xảy ra với các tế bào thần kinh trong một bộ não bị bệnh còn sống.

Nhóm De Paola thì nghiên cứu cách các tế bào thần kinh của người kết nối với nhau và bị gián đoạn trong các chứng rối loạn phát triển, bằng cách ghép các tế bào thần kinh hình chóp được tạo ra từ các tế bào gốc đa năng cảm ứng (tế bào iPS) của người vào vỏ não của chuột trưởng thành.

Trái ngược với các thí nghiệm của nhóm Vanderhaeghen, những tế bào cấy ghép này đã phát triển thành những mạng vi mô dày đặc mô người trong não chuột, và tồn tại cho đến khi thí nghiệm kết thúc sau 5 tháng. De Paola nói: “Chúng tôi rất ngạc nhiên về mức độ tăng trưởng như vậy, xét về kích thước tương đối thì đó là một mạng lưới khổng lồ."

Các tế bào người hầu như chỉ kết nối với đồng loại, hơn 90% các kết nối mà chúng thực hiện là như vậy. Nhưng chúng đã gửi một số tín hiệu đến các phần "chuột" của vỏ não chuột và nhận về một số tín hiệu và sự hợp tác của mạch máu và tế bào miễn dịch. Những tương tác đó cho phép các mảng mô não người tiếp tục phát triển trong 5 tháng. Trong suốt thời gian đó, tế bào người vẫn thực hiện các hành vi như thông thường, giống trong não của thai nhi đang phát triển, chẳng hạn như kết nối và bắt đầu hoạt động theo các chu kỳ phối hợp.

Nhóm của De Paola đã thực hiện một thí nghiệm cấy ghép tương tự bằng cách sử dụng các tế bào thần kinh được tạo ra từ các tế bào của những người mắc hội chứng Down. Sau cấy ghép, những tế bào thần kinh này hình thành các mạng kém năng động hơn, ít xuất hiện các kết nối hơn so với các tế bào thần kinh bình thường.

Liệu những thí nghiệm chimaera thần kinh như vậy bằng cách nào đó có thể thay đổi nhận thức về thị giác hoặc giác quan của chuột thành phiên bản của con người? Cả hai nhóm nghiên cứu chưa kiểm tra nhận thức hoặc hành vi của những con chuột được cấy ghép, nhưng nhìn chung những con chuột này thường hoạt động như những đồng loại không được cấy ghép của chúng. Tuy nhiên, Vanderhaeghen và De Paola đều cho rằng những người làm việc trong lĩnh vực này nên cố gắng xác định xem ở mức độ cấy ghép nào thì động vật bắt đầu thay đổi.

Khả năng xảy ra thay đổi cũng chính là mối quan tâm của các nhà đạo đức học và công chúng. Alta Charo, nhà đạo đức sinh học tại Washington DC, cho biết: “Thần kinh gắn kết chặt chẽ với những gì tạo nên con người - tâm trí, ký ức, ý thức về bản thân." Chính vì thế nhiều người cảm thấy ý tưởng về một bộ óc con người bị mắc kẹt trong cơ thể động vật, hoặc một sinh vật có bộ não nửa giống người, là đáng lo ngại.

Charo và các nhà đạo đức học khác cho rằng công chúng phản đối vì họ chưa hiểu lý do tại sao các nghiên cứu này được thực hiện. Các nhà nghiên cứu chimaera thần kinh nên chia sẻ công việc của họ với công chúng thường xuyên hơn, chẳng hạn qua những chương trình kiểu TED talk. Charo lưu ý, các nhà nghiên cứu sẽ phải xem xét ở ngưỡng tỷ lệ mô não người - mô động vật nào thì con vật bắt đầu có những đặc điểm nhận thức như người, hay ngưỡng nào có thể bắt đầu gây khổ sở hoặc đau đớn cho con vật.

Một mối quan tâm khác là hành vi không thể đoán trước của các tế bào phôi người được đặt vào phôi động vật và liệu chúng có phát triển ngoài tầm kiểm soát hay không.

Một số nhà nghiên cứu tỏ ra lạc quan rằng lợi ích tương lai của lĩnh vực này sẽ thu hút được thiện cảm của công chúng. “Giây phút bạn chữa khỏi bệnh bằng phương pháp này - chữa khỏi bệnh Huntington (bệnh di truyền gây mất kiểm soát vận động và suy giảm nhận thức) cho một đứa trẻ hoặc Alzheimer cho một cụ già - mọi người sẽ đều ủng hộ. Tuy nhiên, chặng đường đến đó rất gập ghềnh, và chúng ta mới bắt đầu cất bước," Brivanlou nói.