Zaria Gorvett
Những bộ não tạo từ da người
"Chúng được 6-7 tháng tuổi rồi," Madeleine Lancaster vừa đặt tay lên bụng bầu của mình vừa nói.
Ở thời điểm này, những đứa con của bà đã lớn tầm 4mm, với vài triệu tế bào thần kinh. Bà đã nuôi được vài trăm đứa như vậy.
Chúng tôi đang có mặt ở phòng thí nghiệm sinh học phân tử mới của MRC tại Cambridge. Tại đây, những phòng thí nghiệm lợp kính và các thiết bị hiện đại tưởng chừng như kéo dài đến hàng dặm.
Dù không phải là một cơ sở bí mật, toà nhà trị giá 212 triệu bảng Anh này là nơi có nhiều dự án khoa học vị lai đáng được Hollywood dựng thành phim.
Quá trình hình thành não nhân tạo
Tại góc nghiên cứu của mình, nhóm của Madeleine đang thực hiện một nhiệm vụ khó tin đến nỗi nghe như chuyện phù phép: Họ đang biến da người thành các bộ não.
"Não bộ phát triển giống như cách mà một phôi thai phát triển," Madelein nói.
Điều này có thể đúng, nhưng môi trường phát triển của chúng rất khác nhau.
ZARIA GORVETT
Thay vì bụng mẹ, các bộ não tách rời đang được ấp bên trong những chiếc lồng khổng lồ. Thay vì máu, chúng được cung cấp chất dịch giàu dinh dưỡng mỗi ngày.
Tất nhiên là chúng cũng không có một hệ thống miễn dịch, vì vậy nên tất cả mọi thứ tiếp xúc với chúng cần được tiệt trùng bằng chất cồn.
Khi bà mở một chiếc lồng ấp ra, tôi phải thú nhận rằng chúng nhìn không thú vị như tôi nghĩ: Những khối lỏng mọng nước nổi lềnh bềnh trong mớ chất lỏng màu hồng. Chúng nhìn giống như những cục bắp rang bị rơi xuống nước thay vì những cá thể có khả năng tư duy.
Thế nhưng vẻ ngoài không nói lên tất cả. Những 'tế bào não' này giống não người đến đáng kinh ngạc. Không giống như các não khác, những tế bào này được phân loại thành chất xám - vốn chỉ bao gồm các tế bào thần kinh, và chất trắng - gồm những mô béo.
Cũng giống như các bộ não thông thường, mỗi loại bao gồm các vùng đặc biệt. Có vùng vỏ não, vùng hồi hải mã, vùng điều khiển cơ và nhiều vùng khác. Chúng tương đương với não của một phôi thai chín tháng tuổi.
Vậy chúng được làm như thế nào?
Trên thực tế, tạo ra một bộ não không khó như bạn nghĩ. Chỉ với một vài thành phần và sự kiên nhẫn để khử trùng tất cả mọi thứ bằng cồn, bạn cũng có thể tự tạo ra một bộ não thu nhỏ chỉ trong vài tháng.
Đầu tiên, bạn sẽ cần một số tế bào. Nhóm của Lancaster đã trích các tế bào ra từ da của những người tình nguyện. Bạn có thể tạo ra não bộ bằng bất cứ loại tế bào nào, từ mũi, gan cho đến móng chân.
Chỉ tế bào gốc mới có khả năng biến thành các mô của cơ thể. Để biến các tế bào này thành tế bào gốc, các nhà khoa học sử dụng một loại serum làm trẻ hoá tế bào, đưa chúng quay ngược trở về trạng thái giống như phôi thai.
Sau một tuần, bạn sẽ có rất nhiều tế bào mà bạn có thể gạt ra từ đĩa petri (là loại đĩa chuyên dùng để nuôi cấy vi sinh vật) và nặn thành một quả cầu.
ZARIA GORVETT
Lancaster lấy ra một đĩa chất dịch màu hồng. "Bạn có thể nhìn chúng ở trong này - chúng rất bé ở thời điểm này," bà nói. Mỗi đĩa như vậy chứa một chấm trắng bé như một dấu chấm phẩy. "Chúng muốn trở thành một phôi thai," bà nói.
Các tế bào gốc này cuối cùng sẽ phân loại và biến các quả cầu ban đầu thành một tổ hợp nhiều loại tế bào, trong đó có tế bào não.
Ban đầu, các nhà nghiên cứu sẽ cung cấp chất dinh dưỡng cho các phôi thai và khuyến khích chúng phát triển. Tuy nhiên sau đó, các quả cầu tế bào này được chuyển đến một đĩa mới với rất ít thức ăn. Các tế bào khác sẽ dần chết đói và chỉ chừa tế bào não ở lại. "Chúng rất khoẻ và không ai biết vì sao," bà nói.
Cuối cùng, các bộ não sẽ được bọc trong một lớp thạch. "Nó khác với thạch bình thường - ban đầu, nó ở thể lỏng và đông thành thạch khi chịu nhiệt độ ấm hơn bên trong lồng ấp," bà nói. Các khối thạch đóng vai trò như loại mô bao phủ não bộ giống như môi trường bên trong phôi thai và khuyến khích nó phát triển bình thường.
Sau đó, bạn chỉ việc đợi.
Ba tháng sau, các thành phẩm sẽ có đường kính khoảng 4mm và chứa khoảng 2 triệu tế bào thần kinh. "Một bộ não của một con chuột trưởng thành chỉ chứa khoảng 4 triệu tế bào thần kinh, vì vậy bạn có thể làm rất nhiều thứ với con số đó," bà nói.
Khả năng hoạt động của não nhân tạo
Bên trong các bộ não liên tục xuất hiện những tín hiệu điện não do các tế bào thần kinh gửi tín hiệu cho nhau. "Nó không quá đặc biệt nhưng điều này cho chúng ta thấy chúng là những tế bào thần kinh có khả năng hoạt động một cách bình thường," bà nói.
Bà so sánh điều này với các tế bào tim mà các nhà khoa học đã làm cho đập bên trong một đĩa petri vào năm 2013. Các tế bào tim được lập trình để muốn 'đập', còn các tế bào thần kinh muốn 'khai hoả'.
ISTOCK
"Ngay cả khi bạn đặt một tế bào thần kinh trong một đĩa riêng biệt, không có các tế bào thần kinh khác, nó vẫn muốn khai hoả tín hiệu đến nỗi nó sẽ tự kết nối với bản thân mình," bà nói.
Hiện nay, các bộ não của Lancaster không có khả năng tư duy. Không ai hiểu bằng cách nào các hoạt động của não bộ giúp sinh ra suy nghĩ, và cũng rất khó để định nghĩa suy nghĩ là gì.
Thường thì khi chúng ta tiếp xúc với các yếu tố kích thích từ thế giới bên ngoài - mùi, âm thanh, sáng kiến - não chúng ta lưu trữ thông tin đó bằng cách củng cố các mạng lưới sẵn có giữa các tế bào thần kinh hoặc hình thành những mạng lưới mới.
Não người trưởng thành sẽ có khoảng 1 triệu tỷ tế bào thần kinh - tức tương đương với một máy tính có khả năng xử lý 1 nghìn tỷ byte một giây.
Thế nhưng ngay cả khi có cùng các thành phần với những bộ não bình thường, các bộ não nhân tạo không thể phát triển bình thường nếu không có một cơ thể để cung cấp thông tin về thế giới xung quanh. "Các tế bào não vẫn hoạt động nhưng chúng không được tổ chức, liên kết với nhau," bà nói.
Lancaster đưa ra ví dụ về những người bị mù bẩm sinh. "Vì họ không nhìn thấy ánh sáng, phần não phát đi tín hiệu mỗi khi mắt nhìn thấy ánh sáng sẽ không được hình thành," bà nói.
Nếu bạn nối các bộ não được tạo ra trong phòng thí nghiệm với một máy EEG, bạn sẽ không nhìn thấy gì. Những 'sóng điện não' mà máy có thể phát hiện là kết quả khi hàng triệu tế bào não phát đi tín hiệu cùng một lúc.
"Có lẽ đây là một điều tốt. Tôi có thể sẽ gặp rắc rối nếu như ở những bộ não này xuất hiện những mạng lưới như não thường," bà nói.
ISTOCK
Sự khác biệt giữa não người và não tinh tinh
Tuy nhiên, nhóm của bà chưa bao giờ muốn tạo ra những bộ não có ý thức.
Thay vào đó, Lancaster muốn sử dụng chúng để giải mã cho một câu hỏi đã tồn tại hàng chục năm nay: Dù thông minh hơn hẳn, thế nhưng sự khác biệt về gene giữa con người và tinh tinh chỉ vào khoảng 1,2% - tức chỉ cao hơn 12 lần so với sự khác biệt giữa con người với nhau (0,1%). Vì sao vậy?
Để tìm ra câu trả lời, nhóm nghiên cứu đã tách các gene tham gia vào quá trình phát triển não và thay chúng bằng phiên bản của tinh tinh, sau đó dùng những tế bào này để tạo ra các bộ não pha giữa con người và tinh tinh.
Vai trò của gene trở nên rõ ràng trong quy trình phát triển của các bộ não: Những bộ não có chứa gene của tinh tinh trở nên nhỏ hơn hẳn so với não của người thường, hoặc chứa ít tế bào thần kinh hơn.
Nói một cách khác, các bộ não này giúp các nhà nghiên cứu thí nghiệm những điều họ không bao giờ được phép làm với não của người thường.
Lancaster hy vọng nhóm của bà cũng có thể thí nghiệm ngược lại với não nhân tạo của loài tinh tinh.
Đây là điều không dễ vì đây là loài được bảo tồn và bạn không thể yêu cầu lấy một lớp da của chúng.
Thế nhưng họ đã tìm được một nguồn thay thế. "Nếu những con tinh tinh sinh con trong sở thú, người ta thường sẽ vứt dây nhau đi, và chúng tôi có thể sử dụng chúng," bà nói.
ISTOCK
Ứng dụng y học
Ở những nơi khác, những tế bào não còn được sử dụng để nghiên cứu các chứng bệnh ở con người, từ bệnh tự kỷ cho đến tâm thần phân liệt. Thường thì rất khó để nghiên cứu về nguyên nhân các bệnh này trong phòng thí nghiệm bởi không có loài động vật nào mắc phải chúng.
Lấy ví dụ như bệnh tự kỷ. Những đứa trẻ mắc bệnh tự kỷ nặng thường không có khả năng giao tiếp. Làm sao chúng ta có thể nghiên cứu bệnh này ở loài chuột nếu loài này chưa bao giờ biết nói?
Bằng việc so sánh các bộ não sinh ra từ da người trưởng thành với da người mắc bệnh tự kỷ, hồi năm ngoái, các nhà khoa học đã chỉ ra được rằng bệnh này có thể là do sự mất cân bằng giữa hai loại tế bào thần kinh, một loại phát đi tín hiệu và một loại có chức năng giống như một chiếc phanh.
"Trong một bộ não bình khoẻ mạnh thường, hai loại tế bào thần kinh này có sự cân bằng tuyệt đối, vì vậy điều này có thể có một tác động rất lớn lên cách cả mạng lưới hoạt động," Lancaster nói.
ISTOCK
Tính đột phát của các bộ não nhân tạo đó là chúng không chỉ giúp tái tạo lại những loại bệnh này mà còn cho phép các nhà khoa học tìm hiểu vì sao các bộ não của người tự kỷ lại khác biệt. "Bạn có thể quan sát chúng và xem điều gì trong quá trình phát triển đã khiến chúng khác đi," bà nói.
Các bộ não nhân tạo đang làm thay đổi cách chúng ta hiểu về não bộ, những chứng rối loạn thần kinh hay điều gì khiến con người đặc biệt.
Mặc dù mới được phát minh vào năm 2012, kết quả tìm kiếm trên Google với từ khoá 'thần kinh não' đã cho kết quả là cho đến nay đã có 2.820 tài liệu nghiên cứu khoa học về đề tài này.
Vậy điều gì đang chờ đợi chúng ta trong tương lai?
Một số nhóm nghiên cứu đang tìm cách cải thiện các bộ não, tạo nguồn cung cấp máu để chúng có thể phát triển lớn hơn. Hiện tại, các bộ não có đường kính 4mm phải phụ thuộc hoàn toàn vào nguồn oxy và nguồn dinh dưỡng từ chất lỏng bao quanh chúng.
Đối với nhiều nhà khoa học, mục tiêu hàng đầu của họ là khiến các bộ não này hoạt động như những bộ não bình thường - hình thành các mạng lưới và có thể được cắt ra để phục vụ nghiên cứu như não chuột bạch.
