Quá trình biến đổi từ một số ít tế bào thành một sinh vật phát triển hoàn chỉnh, được trang bị các mô và cơ quan hoạt động, là một quá trình hỗn loạn nhưng có tính đồng bộ cao, đòi hỏi các tế bào phải tự tổ chức theo những cách chính xác và bắt đầu hoạt động cùng nhau. Quá trình này đặc biệt xảy ra ở tim, nơi các tế bào đang nghỉ ngơi phải bắt đầu đập đồng loạt hoàn hảo. Giờ đây, một sự hợp tác xuyên trường do các nhà nghiên cứu tại Trường Y Harvard và Đại học Harvard dẫn đầu đã cung cấp cái nhìn chính xác về cách các tế bào tim bắt đầu đập.
Trong một nghiên cứu về cá ngựa vằn, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi mức canxi và tín hiệu điện tăng lên, các tế bào tim đột nhiên bắt đầu đập đồng thời. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu còn phát hiện ra rằng mỗi tế bào tim có khả năng tự đập mà không cần máy điều hòa nhịp tim và nhịp tim có thể bắt đầu ở những nơi khác nhau. Những phát hiện này đã được công bố gần đây trên tạp chí Nature.
Đồng tác giả đầu tiên Sean Megason, giáo sư sinh học hệ thống tại Viện Blavatnik thuộc Trường Y Harvard, cho biết: "Mọi người rất coi trọng nhịp đập của trái tim đến mức nó đã trở thành trọng tâm nghiên cứu trong một thời gian dài, nhưng đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể nghiên cứu sâu về nó ở độ phân giải cao như vậy."
Các cơ chế cơ bản của nhịp tim có thể rất thú vị, nhưng điều quan trọng là phải hiểu điều gì xảy ra khi hệ thống tim điều chỉnh nhịp tim không phát triển bình thường hoặc bắt đầu gặp trục trặc.
Đồng tác giả đầu tiên Adam Cohen, giáo sư hóa học, sinh hóa và vật lý tại Đại học Harvard, cho biết: "Trong cuộc đời của một người, trái tim đập khoảng 3 tỷ lần và không bao giờ nghỉ ngơi. Chúng tôi muốn xem lần đầu tiên cỗ máy đáng kinh ngạc này hoạt động như thế nào."
Các nhà nghiên cứu không đặt ra mục tiêu nghiên cứu cách trái tim bắt đầu đập. Thay vào đó, họ đang tìm kiếm một câu hỏi khoa học kết hợp chuyên môn của phòng thí nghiệm Cohen trong việc chụp ảnh hoạt động điện với mối quan tâm của phòng thí nghiệm Megason trong việc nghiên cứu cách các tế bào cá ngựa vằn đang phát triển học cách giao tiếp và hợp tác.
Hướng nghiên cứu của họ hướng tới trái tim. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng mặc dù đã trải qua hàng nghìn năm nghiên cứu về trái tim đang phát triển, bắt đầu từ những quan sát của Aristotle về gà con, nhưng chi tiết về cách tế bào tim bắt đầu đập vẫn là một bí ẩn mà họ có thể giải đáp được.
"Chúng tôi muốn trả lời một câu hỏi cơ bản: Làm thế nào các tế bào tim chuyển từ trạng thái nghỉ sang nhịp đập?" Megason giải thích. "Trái tim bắt đầu đập là sự kiện chỉ xảy ra một lần trong đời, nhưng nó diễn ra như thế nào thì không rõ ràng".
Đây là một nghiên cứu mang tính khám phá nên họ không biết mình sẽ tìm thấy gì. Họ suy đoán rằng có thể một số tế bào đã bắt đầu đập và vùng đập từ từ mở rộng; có thể các phần khác nhau của trái tim bắt đầu đập độc lập và cuối cùng hợp nhất; có lẽ trái tim bắt đầu đập yếu dần và dần trở nên mạnh mẽ hơn theo thời gian.
Hóa ra câu trả lời là không.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng protein huỳnh quang và hình ảnh kính hiển vi tốc độ cao để ghi lại những thay đổi về hàm lượng canxi và hoạt động điện trong quá trình phát triển tế bào tim phôi cá ngựa vằn. Họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng tất cả các tế bào tim đột nhiên chuyển từ không đập sang đập - đặc trưng bởi sự tăng vọt đồng thời của các ion canxi và tín hiệu điện - và ngay lập tức bắt đầu đập đồng bộ, như thể ai đó đã bật công tắc.
Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy với mỗi nhịp tim, một vùng của tim sẽ kích hoạt trước tiên, tạo ra một dòng điện chạy nhanh qua các tế bào khác, khiến chúng cũng hoạt động theo.
Điều thú vị là nhịp tim của các loài cá ngựa vằn khác nhau bắt đầu ở những điểm khác nhau, cho thấy rằng các tế bào kích hoạt đầu tiên không phải là duy nhất. Phát hiện này phản trực giác vì các tế bào trong tim người trưởng thành hoạt động khác hẳn.
Bill Jia, nghiên cứu sinh chung tại phòng thí nghiệm Cohen và Megson, cho biết: “Ở tim người trưởng thành, có một quần thể tế bào điều hòa nhịp tim chuyên điều khiển nhịp tim, trong khi hầu hết các tế bào ở tim phôi thai đều có khả năng tự đập, khiến rất khó dự đoán nhịp đập đầu tiên sẽ ở đâu”. "
Vì tế bào tim bắt đầu đập ngay lập tức nên chúng phải phát triển khả năng đập và cảm nhận nhịp đập của các tế bào lân cận trước nhịp tim đầu tiên của chúng—Megason ví điều này giống như một đội quân phải bắt đầu hành quân đồng bộ mà không cần luyện tập.
Jia nói thêm:"Trái tim trước tiên phải học cách giữ nguyên nhịp điệu mà không cần đồng hồ, và từng tế bào riêng lẻ trước tiên phải học cách hợp tác mà không đồng ý về vai trò của họ. Nhịp tim đều rất quan trọng, nhưng khi bắt đầu cuộc sống, nhịp tim nhanh chóng kết hợp với nhau từ trạng thái dường như hỗn loạn
Việc phát triển cá ngựa vằn cung cấp một mô hình thuận tiện cho việc nghiên cứu trái tim vì chúng trong suốt, phát triển nhanh chóng—chỉ mất 24 giờ để tạo ra nhịp tim—và có thể đi qua Hơn một chục camera đã được sử dụng để ghi lại hình ảnh đó. Tuy nhiên, Megason tin rằng quá trình phát triển tương tự có thể nhất quán giữa các loài, bao gồm cả con người. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng phát hiện này mở ra cơ hội hiểu biết sâu hơn về sự phát triển của nhịp tim ở các loài khác nhau. mở ra một cánh cửa mà một ngày nào đó có thể tiết lộ chứng loạn nhịp tim, chẳng hạn như chứng loạn nhịp tim, phát sinh ở con người như thế nào. Bằng cách quan sát trái tim đang phát triển, chúng ta có thể thấy các cơ chế kiểm soát khác nhau được phân lớp như thế nào, điều này có thể cho chúng ta biết điều gì sẽ xảy ra nếu các cơ chế này bị hỏng.