Mỗi tế bào trong não người đều chứa trình tự DNA giống nhau, nhưng ở các loại tế bào khác nhau, các gen khác nhau được sao chép vào các chuỗi RNA đóng vai trò là bản thiết kế cho protein. Những thay đổi dẫn đến sự hiện diện của protein trong tế bào nào và ở mức độ nào sẽ dẫn đến sự đa dạng to lớn về các loại tế bào não và sự phức tạp của não. Hiểu được tế bào nào dựa vào trình tự DNA nào để hoạt động là rất quan trọng không chỉ để hiểu cách thức hoạt động của não mà còn để hiểu cách đột biến DNA dẫn đến các bệnh về não và cách điều trị chúng.
Trình bày trừu tượng về sự đa dạng của tế bào trong não. Các hạt nhân riêng lẻ được tô màu bằng các màu sáng của biểu đồ t-SNE được sử dụng trong phân tích biểu sinh, để phân biệt các loại tế bào não riêng lẻ. Lớp màu nền thể hiện các yếu tố môi trường cục bộ ảnh hưởng đến chức năng tế bào ở từng vùng não. Nguồn: Michael Nunn
Margarita Behrens, giáo sư nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm sinh học thần kinh tính toán Salk, là đồng điều tra viên chính của nghiên cứu mới. Vào năm 2020, Eck và Behrens đã lãnh đạo nhóm Salk phân tích 161 loại tế bào trong não chuột dựa trên các dấu hiệu hóa học methyl trên DNA, cho biết khi nào gen được bật hoặc tắt. Sự điều hòa DNA này được gọi là methyl hóa và là một lớp nhận dạng tế bào.
Trong bài báo mới, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cùng một công cụ để xác định kiểu methyl hóa DNA của hơn 500.000 tế bào não ở 46 vùng trong não của ba người hiến tạng nam giới trưởng thành khỏe mạnh. Não chuột về cơ bản giống nhau ở các loài động vật, chứa khoảng 80 triệu tế bào thần kinh, trong khi não người thậm chí còn khác nhau hơn, chứa khoảng 80 tỷ tế bào thần kinh.
Behrens cho biết: "Việc chuyển từ chuột sang người là một bước nhảy vọt lớn và đặt ra một số thách thức kỹ thuật mà chúng tôi phải vượt qua. Nhưng chúng tôi có thể điều chỉnh những gì chúng tôi đã tìm ra ở chuột và vẫn thu được kết quả rất tốt trong não người." Kết quả chất lượng rất cao. "
Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng kỹ thuật thứ hai, phân tích cấu trúc ba chiều của các phân tử DNA trong mỗi tế bào, để có thêm thông tin về trình tự DNA nào được sử dụng tích cực. Các vùng DNA lộ ra sẽ dễ dàng được các tế bào tiếp cận hơn so với DNA được gấp chặt.
Jingtian Zhou, đồng tác giả đầu tiên của bài báo mới và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ ở Phòng thí nghiệm của Ecker cho biết: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi xem xét các cấu trúc gen năng động này ở một cấp độ hoàn toàn mới về mức độ chi tiết của loại tế bào trong não và cách các cấu trúc này có thể điều chỉnh gen nào đang hoạt động trong loại tế bào nào. "
Các nhóm nghiên cứu khác cũng được công bố trên tạp chí Science số đặc biệt này đã sử dụng tế bào từ ba bộ não người để kiểm tra kỹ thuật phân tích tế bào của họ, bao gồm một nhóm do Bing Ren tại Đại học California, San Diego dẫn đầu, đồng tác giả nghiên cứu của Eck và Behrens. Nhóm nghiên cứu của Ren đã phát hiện ra mối liên hệ giữa các loại tế bào não cụ thể và các rối loạn tâm thần kinh, bao gồm tâm thần phân liệt, rối loạn lưỡng cực, bệnh Alzheimer. Ngoài ra, nhóm đã phát triển các mô hình học sâu trí tuệ nhân tạo có thể dự đoán nguy cơ mắc các bệnh này.
.Các nhóm khác trong cộng tác toàn cầu tập trung vào việc đo mức RNA để phân loại tế bào thành các phân nhóm. Dựa trên các nghiên cứu DNA do nhóm của Eck và Behrens thực hiện, các nhóm đã tìm thấy mức độ tương ứng cao giữa gen nào được kích hoạt và gen nào được phiên mã thành RNA ở mỗi vùng não.
Vì nghiên cứu mới của Salk được dự định là một nghiên cứu thí điểm để kiểm tra tính hiệu quả của các kỹ thuật này trong não người nên các nhà nghiên cứu cho biết họ chưa thể đưa ra kết luận về số lượng loại tế bào có thể được tìm thấy trong não người hoặc những loại đó khác nhau như thế nào giữa chuột và người.
"Khả năng khám phá các loại tế bào độc nhất ở người mà chúng ta không thấy ở chuột thực sự rất thú vị", Wei Tian, đồng tác giả đầu tiên của bài báo mới và là nhà khoa học nhân viên trong phòng thí nghiệm của Eck cho biết. "Chúng tôi đã đạt được tiến bộ đáng kinh ngạc, nhưng còn nhiều câu hỏi cần đặt ra."
Vào năm 2022, Viện Sáng kiến Não của Viện Y tế Quốc gia (Sáng kiến NIHBrain) đã ra mắt Mạng bản đồ tế bào Sáng kiến Não mới (Mạng lưới bản đồ tế bào sáng kiến BRAIN, BICAN), đây sẽ là hoạt động tiếp theo của BICCN. Tại Salk, Trung tâm Bản đồ tế bào não người đa nhân do BICAN tài trợ nhằm mục đích nghiên cứu các tế bào từ hơn chục bộ não con người và đặt câu hỏi về cách bộ não thay đổi trong quá trình phát triển, trong suốt tuổi thọ và khi mắc bệnh. Eck cho biết việc nghiên cứu nhiều bộ não một cách chi tiết hơn sẽ mở đường cho sự hiểu biết tốt hơn về cách một số loại tế bào não trở nên tồi tệ trong các chứng rối loạn và bệnh tật về não: "Chúng tôi muốn có được sự hiểu biết toàn diện về bộ não trong suốt cuộc đời của một người để có thể xác định chính xác khi nào, như thế nào và loại tế bào nào gặp vấn đề khi phản ứng với bệnh tật và có khả năng ngăn ngừa hoặc đảo ngược những thay đổi có hại này."