Năm sinh học

Ký ức của chúng ta là nền tảng cho bản sắc của chúng ta. Tầm quan trọng của chúng là một phần lớn nguyên nhân khiến bệnh Alzheimer và các dạng bệnh mất trí nhớ khác trở nên tàn khốc và sâu sắc đến vậy. Đó là lý do tại sao chúng ta hết sức hy vọng vào khoa học sẽ tìm ra phương pháp chữa trị bệnh Alzheimer và tại sao thật thất vọng và bi thảm khi các phương pháp điều trị hữu ích lại chậm xuất hiện. Do đó, sự phấn khích lớn bao quanh thông báo vào tháng 9 rằng một loại thuốc mới, lecanemab, đã làm chậm sự tiến triển của bệnh trong các thử nghiệm lâm sàng. Nếu được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm chấp thuận, lecanemab sẽ trở thành phương pháp điều trị bệnh Alzheimer thứ hai chống lại protein amyloid-beta, được cho là nguyên nhân gây bệnh. 

Tuy nhiên, tác dụng của lecanemab rất nhỏ đến mức các nhà nghiên cứu tranh luận liệu loại thuốc này có thực sự tạo ra sự khác biệt thực tế cho bệnh nhân hay không. Việc lecanemab nổi bật như một điểm sáng nói lên lịch sử nghiên cứu về phương pháp điều trị bệnh Alzheimer đã ảm đạm đến mức nào. Trong khi đó, sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế sinh học đang thúc đẩy sự quan tâm đến các lý thuyết thay thế hàng đầu về nguyên nhân gây ra căn bệnh này.

Suy đoán về cách thức hoạt động của trí nhớ ít nhất cũng có từ thời Plato, người trong một trong những cuộc đối thoại Socrates của ông đã viết về “món quà của Trí nhớ, mẹ của các Nàng thơ” và so sánh hoạt động của nó với một con tem sáp trong tâm hồn. Chúng ta có thể biết ơn vì khoa học đã cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về trí nhớ kể từ thời Plato - với những con tem sáp, với những “khắc” về những thay đổi trong tế bào thần kinh của chúng ta. Chỉ trong năm vừa qua, các nhà nghiên cứu đã có những bước tiến thú vị trong việc tìm hiểu xem các khía cạnh khác nhau của ký ức chúng ta cư trú như thế nào và ở đâu trong não. Điều đáng ngạc nhiên hơn là họ thậm chí còn tìm ra cơ chế sinh hóa giúp phân biệt ký ức tốt đẹp và ký ức tồi tệ.

Bởi vì chúng ta là những sinh vật có bộ não nên chúng ta thường nghĩ về trí nhớ theo thuật ngữ thuần túy thần kinh. Tuy nhiên, công trình được công bố vào đầu năm 2022 bởi các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ California cho thấy rằng ngay cả các tế bào riêng lẻ trong các mô đang phát triển cũng có thể mang một số hồ sơ về lịch sử dòng dõi của chúng. Những tế bào gốc này dường như dựa vào thông tin được lưu trữ đó khi chúng phải đối mặt với các quyết định về cách chuyên biệt hóa để đáp ứng với các tín hiệu hóa học. Những tiến bộ trong sinh học trong năm qua cũng tiết lộ nhiều điều ngạc nhiên khác, bao gồm những hiểu biết sâu sắc về cách não thích nghi với tình trạng thiếu thức ăn kéo dài và cách các tế bào di chuyển theo con đường xuyên qua cơ thể. Thật đáng để nhìn lại một số tác phẩm hay nhất trước khi những tiết lộ trong năm tới cho chúng ta một cái nhìn mới về bản thân.

Nhiều người có liên quan đến bệnh Alzheimer, thông qua nghiên cứu hoặc qua mối quan hệ cá nhân với bệnh nhân, đều hy vọng rằng năm 2022 sẽ là một năm biểu tượng. Các thử nghiệm lâm sàng lớn cuối cùng sẽ tiết lộ liệu hai loại thuốc mới có thể giải quyết được nguyên nhân gốc rễ của căn bệnh này có hiệu quả hay không. Thật không may, kết quả không như mong đợi. Một trong những loại thuốc, lecanemab, cho thấy khả năng làm chậm lại sự suy giảm nhận thức ở một số bệnh nhân nhưng đôi khi cũng có liên quan đến các tác dụng phụ gây tử vong; loại còn lại, gantenerumab, được coi là thất bại hoàn toàn. 

Kết quả đáng thất vọng này đã khép lại ba thập kỷ nghiên cứu dựa chủ yếu vào lý thuyết cho rằng bệnh Alzheimer là do các mảng protein amyloid tích tụ giữa các tế bào não và tiêu diệt chúng. Tuy nhiên, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng amyloid chỉ là một thành phần trong cơ thể. quá trình bệnh phức tạp hơn nhiều liên quan đến tình trạng viêm gây tổn hại và trục trặc trong cách tế bào tái chế protein của chúng. Hầu hết những ý tưởng này đã tồn tại từ lâu như giả thuyết về amyloid nhưng chỉ mới bắt đầu nhận được sự quan tâm xứng đáng.

Trên thực tế, sự tập hợp các protein xung quanh tế bào đang bắt đầu trông giống như một hiện tượng gần như phổ biến trong các mô lão hóa chứ không phải là tình trạng đặc biệt của bệnh amyloid và bệnh Alzheimer, theo công trình nghiên cứu của các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã được công bố trong một bản in vào mùa xuân năm ngoái. Quan sát này có thể là một bằng chứng nữa cho thấy các vấn đề ngày càng tồi tệ trong việc quản lý protein có thể là hậu quả thường gặp của quá trình lão hóa tế bào.

Các nhà thần kinh học từ lâu đã hiểu rất nhiều về cách hình thành ký ức - về nguyên tắc. Họ biết rằng khi não nhận thức, cảm nhận và suy nghĩ, hoạt động thần kinh tạo ra những trải nghiệm đó sẽ củng cố các kết nối khớp thần kinh giữa các tế bào thần kinh liên quan. Những thay đổi lâu dài trong mạch thần kinh của chúng ta trở thành bản ghi vật lý của ký ức, giúp chúng ta có thể gợi lại các mô hình điện trong trải nghiệm của chúng ta khi cần thiết. Tuy nhiên, chi tiết chính xác của quá trình đó vẫn còn rất khó hiểu. Đầu năm nay, điều đó đã thay đổi khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Nam California mô tả một kỹ thuật hình dung những thay đổi đó khi chúng xảy ra trong một bộ não sống, nơi họ thường quan sát một con cá học cách liên kết cái nóng khó chịu với tín hiệu ánh sáng. Trước sự ngạc nhiên của họ, trong khi quá trình này củng cố một số khớp thần kinh thì nó lại xóa bỏ những khớp thần kinh khác. 

Nội dung thông tin của trí nhớ chỉ là một phần của những gì não lưu trữ. Ký ức cũng được mã hóa bằng một “hóa trị” cảm xúc phân loại chúng thành trải nghiệm tích cực hoặc tiêu cực. Mùa hè năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã báo cáo rằng mức độ của một phân tử đơn lẻ được giải phóng bởi các tế bào thần kinh, được gọi là Neurotensin, dường như đóng vai trò là dấu hiệu cho việc ghi nhãn đó. 

Sự sống trên Trái đất bắt đầu với sự xuất hiện đầu tiên của tế bào khoảng 3.8 tỷ năm trước. Nhưng nghịch lý thay, trước khi có tế bào, chắc chắn phải có tập hợp các phân tử hoạt động giống như sự sống một cách đáng ngạc nhiên. Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu ở Nhật Bản đã tiến hành các thí nghiệm với các phân tử RNA để tìm hiểu xem liệu một loại phân tử sao chép có thể tiến hóa thành một tập hợp các thể tự sao khác nhau hay không, như các nhà nghiên cứu về nguồn gốc sự sống đã đưa ra giả thuyết rằng hẳn đã xảy ra trong tự nhiên. Các nhà khoa học Nhật Bản phát hiện ra rằng sự đa dạng hóa này đã xảy ra, với nhiều phân tử khác nhau cùng tiến hóa thành các vật chủ cạnh tranh và các ký sinh trùng chiếm ưu thế và thống trị. Tháng XNUMX năm ngoái, các nhà khoa học đã báo cáo một bước phát triển mới: Các phân tử đa dạng đã bắt đầu hoạt động cùng nhau theo một cách hệ sinh thái ổn định hơn. Công trình của họ cho thấy rằng RNA và các phân tử khác trong thế giới tiền sinh học cũng có thể cùng tiến hóa để đặt nền móng cho đời sống tế bào.

Tự sao chép thường được coi là bước thiết yếu đầu tiên trong bất kỳ giả thuyết về nguồn gốc sự sống nào, nhưng thực tế không nhất thiết phải như vậy. Năm nay, Nick Lane và các nhà sinh học tiến hóa khác tiếp tục tìm thấy bằng chứng cho thấy trước khi tế bào tồn tại, hệ thống “tiền trao đổi chất” liên quan đến các tập hợp phản ứng năng lượng phức tạp có thể đã phát sinh trong các vật liệu xốp gần các miệng phun thủy nhiệt.

Làm thế nào để một tế bào trứng được thụ tinh phát triển thành cơ thể người trưởng thành với hơn 30 nghìn tỷ tế bào thuộc hơn 200 loại chuyên biệt? Đó là bí ẩn tinh túy của sự phát triển. Trong phần lớn thế kỷ qua, lời giải thích chủ yếu là các gradient hóa học được thiết lập ở các bộ phận khác nhau của cơ thể đang phát triển sẽ hướng dẫn các tế bào đến nơi cần thiết và cho chúng biết cách phân biệt thành các thành phần của da, cơ, xương, não và các bộ phận khác. Nội tạng. 

Nhưng hóa chất hiện nay dường như chỉ là một phần của câu trả lời. Công trình gần đây cho thấy rằng trong khi các tế bào sử dụng các đầu mối gradient hóa học để hướng dẫn sự di chuyển của chúng, chúng cũng tuân theo mô hình căng thẳng về thể chất trong các mô xung quanh chúng, giống như những người đi trên dây băng qua một sợi cáp căng. Sự căng thẳng về thể chất có tác dụng nhiều hơn là chỉ cho tế bào biết phải đi đâu. Một công trình khác được báo cáo vào tháng 5 cho thấy các lực cơ học bên trong phôi cũng giúp tạo ra các tập hợp tế bào trở thành cấu trúc cụ thể, chẳng hạn như lông thay vì da.

Trong khi đó, các nhà sinh học tổng hợp - những nhà nghiên cứu sử dụng phương pháp kỹ thuật để nghiên cứu sự sống - đã đạt được tiến bộ quan trọng trong việc tìm hiểu các loại thuật toán di truyền kiểm soát cách tế bào phân biệt để phản ứng với các tín hiệu hóa học. Một nhóm ở Caltech đã chứng minh một mạng lưới gen nhân tạo có thể biến đổi ổn định tế bào gốc thành một số loại tế bào chuyên biệt hơn. Họ chưa xác định được hệ thống kiểm soát di truyền tự nhiên trong tế bào là gì, nhưng sự thành công của mô hình của họ chứng minh rằng dù hệ thống thực sự là gì thì có lẽ nó không cần phải phức tạp hơn nhiều.

Não là cơ quan ngốn năng lượng nhất trong cơ thể, vì vậy có lẽ không có gì đáng ngạc nhiên khi quá trình tiến hóa đã nghĩ ra một chiến lược khẩn cấp để giúp não đối phó với tình trạng thiếu lương thực kéo dài trong thời gian dài. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Edinburgh phát hiện ra rằng khi chuột phải sống sót bằng khẩu phần ăn ngắn trong nhiều tuần liên tục, bộ não của chúng bắt đầu hoạt động tương đương với một "chê độ năng lượng thâp. 

Ở trạng thái này, các tế bào thần kinh ở vỏ não thị giác sử dụng năng lượng ít hơn gần 30% ở các khớp thần kinh của chúng. Từ quan điểm kỹ thuật, đó là một giải pháp gọn gàng để kéo dài nguồn năng lượng của não, nhưng vẫn có một nhược điểm. Trên thực tế, chế độ năng lượng thấp làm giảm độ phân giải tầm nhìn của động vật bằng cách làm cho các tín hiệu xử lý hệ thống thị giác kém chính xác hơn. 

Một quan điểm kỹ thuật về bộ não gần đây cũng đã cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về một hệ thống cảm giác khác: khứu giác của chúng ta. Các nhà nghiên cứu đang cố gắng cải thiện khả năng nhận biết mùi của “mũi nhân tạo” được vi tính hóa. Chỉ riêng cấu trúc hóa học đã đi một chặng đường dài trong việc xác định mùi mà chúng ta liên kết với các phân tử khác nhau. Nhưng công trình nghiên cứu mới cho thấy rằng quá trình trao đổi chất tạo ra các phân tử trong tự nhiên cũng phản ánh khứu giác của chúng ta về mùi của các phân tử. Mạng lưới thần kinh bao gồm thông tin trao đổi chất trong các phân tích của họ đã tiến gần hơn đáng kể đến việc phân loại mùi theo cách con người làm.

Bộ não người sống vẫn là một thứ cực kỳ khó nghiên cứu đối với các nhà khoa học thần kinh: Hộp sọ cản trở tầm nhìn của họ và những cân nhắc về đạo đức đã loại trừ nhiều thí nghiệm có khả năng cung cấp thông tin. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển mô não biệt lập trong phòng thí nghiệm và để nó tạo thành các “cơ quan” có những điểm tương đồng về vật lý và điện học với não thật. Năm nay, nhà thần kinh học Sergiu Paşca và các đồng nghiệp của ông đã cho thấy những điểm tương đồng đó tiến xa đến mức nào khi cấy ghép các chất hữu cơ trong não người vào chuột thí nghiệm mới sinh. Các tế bào của con người tự tích hợp vào mạch thần kinh của động vật và đảm nhận vai trò khứu giác. Hơn nữa, các tế bào thần kinh được cấy ghép trông khỏe mạnh hơn những tế bào phát triển trong các cơ quan bị cô lập, điều này cho thấy, như Paşca đã lưu ý trong một cuộc phỏng vấn với Quanta, tầm quan trọng của việc cung cấp cho các nơ-ron đầu vào và đầu ra. Công trình này chỉ ra hướng phát triển các mô hình thử nghiệm tốt hơn cho bộ não con người trong tương lai.