Cách xây dựng bản đồ não

Tập trung vào các vùng 'cơ bản' (leaf-level)

Phát hiện quan trọng của nghiên cứu là cách đáng tin cậy nhất để so sánh não giữa các loài là bắt đầu từ các chi tiết giải phẫu nhỏ nhất. Nhóm nghiên cứu đã neo sự so sánh của họ vào các phân khu nhỏ nhất, chi tiết nhất của não — mà các nhà thần kinh học gọi là vùng não cơ bản (leaf-level regions) .

Trong khi các cấu trúc não lớn hơn thường có tên gọi và ranh giới không nhất quán giữa các tập bản đồ khác nhau, hầu hết các tập bản đồ hiện có lại thống nhất rất tốt về các phần nhỏ có thể xác định này. Giáo sư Mitra giải thích cách tiếp cận bằng một phép so sánh đơn giản: "Hãy nghĩ về các tiểu bang và thành phố. Thành phố New York có thể được gọi là New York trong một tập bản đồ và New Amsterdam trong một tập bản đồ khác, nhưng ở cấp địa phương, mọi người đều biết chính xác bạn đang nói đến đâu" . Bằng cách khớp các khối xây dựng cơ bản này trước, nhóm nghiên cứu có thể xây dựng một cách đáng tin cậy sự tương ứng giữa các vùng não lớn hơn ở hai loài.

Tổng hợp tài liệu khoa học có hệ thống

Nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ hơn 100 nghiên cứu đã được công bố, mỗi nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật như tiêm chất đánh dấu thần kinh (neural tracer) và lập bản đồ mô học (histological mapping) để xác định các vùng não ở chuột và khỉ marmoset . Quá trình tổng quan hệ thống này cho phép họ hòa giải những khác biệt giữa nhiều tập bản đồ não được sử dụng rộng rãi cho cả hai loài.

Khung tương quan định lượng

Sử dụng các quy trình tính toán và thống kê có sẵn trong MATLAB, các nhà nghiên cứu đã so sánh cấu trúc không gian và kết nối của các vùng não cơ bản giữa chuột và khỉ marmoset . Họ xác lập 5 kiểu tương quan giữa các cấu trúc não, và phát hiện ra rằng 43% cấu trúc não cơ bản của chuột có tương quan 1-1 với cấu trúc của khỉ marmoset . Các cấu trúc còn lại hoặc chỉ có ở một loài, hoặc có mối quan hệ phức tạp hơn.

Bản đồ này giải quyết vấn đề 'chuyển giao' từ chuột sang người như thế nào?

Khoảng cách tiến hóa

Thách thức cốt lõi là não của loài gặm nhấm đã tách khỏi dòng dõi linh trưởng khoảng 90 triệu năm trước . Nhiều loại thuốc và phát hiện về mạch thần kinh (neural circuit) hứa hẹn trên chuột thất bại trong thử nghiệm lâm sàng trên người, bởi ở cấp độ cơ bản, bộ não được kết nối khác nhau.

Khỉ marmoset, là linh trưởng Tân thế giới, có kiến trúc não tương đồng với người hơn nhiều. Bằng cách lập bản đồ các vùng não chuột có cấu trúc tương đồng trực tiếp ở khỉ marmoset, tập bản đồ mới cho các nhà nghiên cứu biết phát hiện nào từ khoa học thần kinh trên chuột có khả năng đúng với linh trưởng.

Cầu nối chuyển giao thực tế

Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng bản đồ trong thực tế như sau:

• Nếu một phát hiện từ chuột liên quan đến vùng não khớp rõ ràng với cấu trúc của khỉ marmoset (và do đó của người), đó là ứng cử viên mạnh hơn cho việc chuyển giao thành công .
• Nếu một phát hiện liên quan đến vùng não đặc thù của chuột (không có ở linh trưởng), phát hiện đó khó có thể áp dụng cho người .

Tác động đến phát triển thuốc

Bản đồ cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra xem một mục tiêu thuốc (drug target) hoặc sự can thiệp mạch thần kinh (neural circuit manipulation) có hiệu quả trên mô hình chuột có tồn tại ở não linh trưởng không phải người (non-human primate) hay không trước khi chuyển sang các thử nghiệm tốn kém trên người. Điều này có thể giúp ưu tiên các ứng cử viên thuốc hứa hẹn nhất và giảm tỷ lệ thất bại cao của các phương pháp điều trị thử nghiệm thành công trên chuột nhưng thất bại trên người .

Bối cảnh rộng hơn

Bản đồ não xuyên loài này kế thừa nhiều thập kỷ công trình lập bản đồ não tại CSHL, bao gồm Dự án Kiến trúc Não Chuột (Mouse Brain Architecture Project) và những đóng góp cho tập bản đồ kết nối não khỉ marmoset (Brain/MINDS) tại Nhật Bản . Nó cung cấp một khuôn khổ thống nhất để so sánh cấu trúc não trong dòng dõi động vật có vú.

Đối với các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp điều trị mới cho các bệnh lý thần kinh và tâm thần, bản đồ này mang đến một sự kiểm chứng cần thiết — và một cách để tập trung nguồn lực vào những phát hiện có nhiều khả năng nhất để chuyển từ chuột sang người.

Điểm chính

43% vùng não cơ bản của chuột có cấu trúc tương ứng 1-1 với não khỉ marmoset, theo phân tích của nhóm CSHL . Các vùng còn lại có thể là sự thích nghi đặc thù của loài. Bản đồ xuyên loài này trang bị cho các nhà thần kinh học một công cụ có hệ thống để quyết định phát hiện nào từ chuột xứng đáng được nghiên cứu tiếp ở linh trưởng — và phát hiện nào có thể là 'ngõ cụt tiến hóa' cho y học con người.

Cách xây dựng bản đồ não

Tập trung vào các vùng 'cơ bản' (leaf-level)

Phát hiện quan trọng của nghiên cứu là cách đáng tin cậy nhất để so sánh não giữa các loài là bắt đầu từ các chi tiết giải phẫu nhỏ nhất. Nhóm nghiên cứu đã neo sự so sánh của họ vào các phân khu nhỏ nhất, chi tiết nhất của não — mà các nhà thần kinh học gọi là vùng não cơ bản (leaf-level regions) .

Trong khi các cấu trúc não lớn hơn thường có tên gọi và ranh giới không nhất quán giữa các tập bản đồ khác nhau, hầu hết các tập bản đồ hiện có lại thống nhất rất tốt về các phần nhỏ có thể xác định này. Giáo sư Mitra giải thích cách tiếp cận bằng một phép so sánh đơn giản: "Hãy nghĩ về các tiểu bang và thành phố. Thành phố New York có thể được gọi là New York trong một tập bản đồ và New Amsterdam trong một tập bản đồ khác, nhưng ở cấp địa phương, mọi người đều biết chính xác bạn đang nói đến đâu" . Bằng cách khớp các khối xây dựng cơ bản này trước, nhóm nghiên cứu có thể xây dựng một cách đáng tin cậy sự tương ứng giữa các vùng não lớn hơn ở hai loài.

Tổng hợp tài liệu khoa học có hệ thống

Nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ hơn 100 nghiên cứu đã được công bố, mỗi nghiên cứu sử dụng các kỹ thuật như tiêm chất đánh dấu thần kinh (neural tracer) và lập bản đồ mô học (histological mapping) để xác định các vùng não ở chuột và khỉ marmoset . Quá trình tổng quan hệ thống này cho phép họ hòa giải những khác biệt giữa nhiều tập bản đồ não được sử dụng rộng rãi cho cả hai loài.

Khung tương quan định lượng

Sử dụng các quy trình tính toán và thống kê có sẵn trong MATLAB, các nhà nghiên cứu đã so sánh cấu trúc không gian và kết nối của các vùng não cơ bản giữa chuột và khỉ marmoset . Họ xác lập 5 kiểu tương quan giữa các cấu trúc não, và phát hiện ra rằng 43% cấu trúc não cơ bản của chuột có tương quan 1-1 với cấu trúc của khỉ marmoset . Các cấu trúc còn lại hoặc chỉ có ở một loài, hoặc có mối quan hệ phức tạp hơn.

Bản đồ này giải quyết vấn đề 'chuyển giao' từ chuột sang người như thế nào?

Khoảng cách tiến hóa

Thách thức cốt lõi là não của loài gặm nhấm đã tách khỏi dòng dõi linh trưởng khoảng 90 triệu năm trước . Nhiều loại thuốc và phát hiện về mạch thần kinh (neural circuit) hứa hẹn trên chuột thất bại trong thử nghiệm lâm sàng trên người, bởi ở cấp độ cơ bản, bộ não được kết nối khác nhau.

Khỉ marmoset, là linh trưởng Tân thế giới, có kiến trúc não tương đồng với người hơn nhiều. Bằng cách lập bản đồ các vùng não chuột có cấu trúc tương đồng trực tiếp ở khỉ marmoset, tập bản đồ mới cho các nhà nghiên cứu biết phát hiện nào từ khoa học thần kinh trên chuột có khả năng đúng với linh trưởng.

Cầu nối chuyển giao thực tế

Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng bản đồ trong thực tế như sau:

• Nếu một phát hiện từ chuột liên quan đến vùng não khớp rõ ràng với cấu trúc của khỉ marmoset (và do đó của người), đó là ứng cử viên mạnh hơn cho việc chuyển giao thành công .
• Nếu một phát hiện liên quan đến vùng não đặc thù của chuột (không có ở linh trưởng), phát hiện đó khó có thể áp dụng cho người .

Tác động đến phát triển thuốc

Bản đồ cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra xem một mục tiêu thuốc (drug target) hoặc sự can thiệp mạch thần kinh (neural circuit manipulation) có hiệu quả trên mô hình chuột có tồn tại ở não linh trưởng không phải người (non-human primate) hay không trước khi chuyển sang các thử nghiệm tốn kém trên người. Điều này có thể giúp ưu tiên các ứng cử viên thuốc hứa hẹn nhất và giảm tỷ lệ thất bại cao của các phương pháp điều trị thử nghiệm thành công trên chuột nhưng thất bại trên người .

Bối cảnh rộng hơn

Bản đồ não xuyên loài này kế thừa nhiều thập kỷ công trình lập bản đồ não tại CSHL, bao gồm Dự án Kiến trúc Não Chuột (Mouse Brain Architecture Project) và những đóng góp cho tập bản đồ kết nối não khỉ marmoset (Brain/MINDS) tại Nhật Bản . Nó cung cấp một khuôn khổ thống nhất để so sánh cấu trúc não trong dòng dõi động vật có vú.

Đối với các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp điều trị mới cho các bệnh lý thần kinh và tâm thần, bản đồ này mang đến một sự kiểm chứng cần thiết — và một cách để tập trung nguồn lực vào những phát hiện có nhiều khả năng nhất để chuyển từ chuột sang người.

Điểm chính

43% vùng não cơ bản của chuột có cấu trúc tương ứng 1-1 với não khỉ marmoset, theo phân tích của nhóm CSHL . Các vùng còn lại có thể là sự thích nghi đặc thù của loài. Bản đồ xuyên loài này trang bị cho các nhà thần kinh học một công cụ có hệ thống để quyết định phát hiện nào từ chuột xứng đáng được nghiên cứu tiếp ở linh trưởng — và phát hiện nào có thể là 'ngõ cụt tiến hóa' cho y học con người.