How We're Reverse Engineering the Human Brain in the Lab | Sergiu P. Pasca | TED

Translator: Trang Do Nu Gia

How does the human brain build itself?

Bộ não con người tự cấu tạo như thế nào?

How do circuits in the human brain

Làm thế nào các mạch trong não người

wire together?

liên kết với nhau?

For instance, how does one tiny neuron in the outer layer of the brain

Ví dụ, làm thế nào để một nơ-ron thần kinh nhỏ bé ở lớp ngoài của não

send a thin axon all the way to the spinal cord,

truyền tín hiệu dọc theo một sợi trục mỏng đến tận tủy sống,

find the right neuron

tìm đúng nơ-ron thần kinh

and then control muscle contraction

và rồi kiểm soát sự co cơ

as we extend a hand and grasp a glass of water?

khi chúng ta đưa tay ra và nắm lấy một cốc nước?

Tôi ở đây để thông báo rằng

I'm here to tell you

that we can finally grow parts of the human brain

cuối cùng chúng ta cũng có thể phát triển các bộ phận của não người

from any individual

từ bất kỳ cá nhân nào

and then build functioning human circuits

và sau đó tạo nên các mạch chức năng của con người

in a laboratory cell culture dish.

trong một chiếc đĩa nuôi cấy tế bào ở phòng thí nghiệm.

These clumps of neural tissue are known as brain organoids.

Những khối mô thần kinh này được gọi là các mô não nhân tạo (brain organoids).

And when we put them together to form circuits, they become “assembloids.”

Và khi ghép chúng lại với nhau để tạo thành các mạch,

chúng sẽ trở thành các hệ tế bào “assembloids”.

Assembloids could be key to understanding how the human brain is built.

Assembloids có thể là chìa khóa giúp ta hiểu cách cấu tạo của bộ não con người.

Today, most of what we know about the human brain

Ngày nay, hầu hết những gì chúng ta biết về bộ não con người

comes from studies in animals, typically mice.

là đến từ các nghiên cứu trên động vật, điển hình như chuột.

And while we've learned a lot from these animal brains,

Và mặc dù chúng ta học được nhiều điều từ những bộ não động vật này,

nhưng các đặc điểm làm cho bộ não con người trở nên độc nhất,

the characteristics that make the human brain unique,

and uniquely susceptible to disease,

và đặc biệt dễ bị nhiễm bệnh

remain mysterious.

vẫn còn là bí ẩn.

I’m a physician by training and a professor at Stanford,

Tôi là một bác sĩ được đào tạo và là giáo sư tại Stanford,

where my laboratory has been taking unconventional approaches

nơi mà phòng thí nghiệm của tôi đã áp dụng các phương pháp độc đáo

to study how the human brain develops,

để nghiên cứu cách não người phát triển,

how disorders in the human brain arise

các rối loạn trong não người phát sinh như thế nào

and find new ways of treatment.

và tìm ra phương pháp điều trị mới.

I think the best way to explain, though, how we do this

Tuy nhiên, tôi nghĩ cách tốt nhất để giải thích về phương pháp của chúng tôi

is through the eyes of one of my patients.

chính là từ góc nhìn của một trong những bệnh nhân của tôi.

When I opened my lab at Stanford,

Khi tôi mở phòng thí nghiệm của mình tại Stanford,

Eduard, who's on the autism spectrum,

Eduard, một người mắc chứng tự kỷ,

sent me this drawing

đã gửi cho tôi bức vẽ này

depicting how he thought we were studying brain disorders.

mô tả cách anh ấy nghĩ về việc nghiên cứu rối loạn não bộ của chúng tôi.

Now to paraphrase him, he said,

Điều anh ấy muốn nói được diễn đạt như sau,

"What I think you're doing is you're climbing up a ladder,

“Những gì tôi nghĩ về việc bạn đang làm là leo lên một cái thang,

poking holes in people's brains

chọc những lỗ hổng trong não người

and then use tiny telescopes to watch neural cells."

và sau đó sử dụng những kính viễn vọng siêu nhỏ để quan sát nơ-ron thần kinh.”

Dĩ nhiên, đó không phải là những gì chúng tôi làm.

Of course, that's not what we do.

So I called him up, explained the process,

Vì vậy, tôi đã gọi cho anh ấy, giải thích quy trình,

và rồi sáng hôm sau anh ấy gửi cho tôi một bản vẽ khác,

and then the next morning he sent me another drawing,

which I think ended up being a quite accurate representation

mà tôi nghĩ cuối cùng là một bản vẽ khá chính xác

of the work that we and many others now are doing.

về công việc mà chúng tôi và nhiều người khác hiện đang làm.

Again, to paraphrase him, he said,

Một lần nữa, điều anh ấy muốn nói được hiểu như sau,

"You're taking skin cells

“Các bạn đang lấy các tế bào da

from patients that have specific brain disorders,

từ những bệnh nhân mắc chứng rối loạn não cụ thể,

sau đó thực hiện một số thao tác với tế bào

then doing some mumbo jumbo to the cells

to push them back in time

để đưa chúng quay ngược thời gian

and turn them into stem cells."

và biến chúng thành các tế bào gốc.”

Và anh ấy cũng biết rằng tế bào gốc có thể được điều chỉnh

And then he knew that stem cells can be coaxed to become any cell type.

để trở thành bất kỳ loại tế bào nào.

“So then you’re taking them and turning them into brain cells

“Và sau đó bạn lấy chúng ra và biến chúng thành các tế bào não

that form brain circuits.”

cấu tạo nên các mạch não.”

That's right. We can build human brain circuits in a dish.

Đúng vậy. Chúng tôi có thể tạo nên mạch não người trong một cái đĩa.

How is that possible?

Làm sao có thể chứ?

Building on the hard work of biologists over the past 15 years or so,

Dựa trên các công trình nghiên cứu của các nhà sinh học trong hơn 15 năm qua,

we can today take any cell type from any individual

ngày nay chúng ta có thể lấy bất kỳ loại tế bào nào từ bất kỳ cá nhân nào

and then push it back in time to turn them into stem cells

và sau đó đẩy ngược thời gian để biến chúng thành các tế bào gốc

and then guide those stem cells to become any other cell type.

và định hướng các tế bào gốc đó trở thành bất kỳ loại tế bào nào khác.

We start by asking a patient to provide a small skin sample.

Chúng tôi bắt đầu bằng cách yêu cầu bệnh nhân cung cấp một mẫu da nhỏ.

We then take those skin cells,

Sau đó chúng tôi lấy những tế bào da đó,

reprogram them by putting a series of genetic factors

tái lập trình chúng bằng cách đặt một loạt yếu tố di truyền

và đưa chúng quay ngược thời gian

and push them back in time

so that those skin cells become stem cells.

để những tế bào da đó trở thành những tế bào gốc.

It's like cellular alchemy.

Nó giống như thuật giả kim tế bào.

These stem cells have almost magical abilities

Những tế bào gốc này gần như có khả năng kỳ diệu

to turn into any other cell type.

để trở thành bất kỳ loại tế bào nào khác.

So what do we do?

Vậy chúng tôi làm gì?

We take the stem cells, we dissociate them,

Chúng tôi lấy các tế bào gốc, phân tách chúng,

we then aggregate them

sau đó tổng hợp chúng lại

so that they form spheres or tiny balls of cells.

để chúng tạo thành các tế bào hình cầu hoặc dạng bóng nhỏ.

We then take those, move them into a special plate

Sau đó chúng tôi lấy chúng ra, chuyển vào một chiếc đĩa đặc biệt,

where there is a kind of chemical soup.

nơi có một hỗn hợp dung dịch hóa học.

And that chemical soup will allow them to grow

Và hỗn hợp dung dịch hóa học đó sẽ cho phép chúng phát triển,

and transform and turn into a brain organoid.

biến đổi và trở thành một mô não organoid.

By providing different cues, we can turn this brain organoid

Bằng cách cung cấp các tín hiệu khác nhau, chúng tôi có thể biến mô não organoid này

to resemble specific regions of the central nervous system.

thành các vùng cụ thể của hệ thần kinh trung ương.

For instance, we have a recipe

Ví dụ, chúng tôi có một công thức

that allows them to become a cerebral cortex,

cho phép chúng trở thành vỏ não,

the outer layer of the brain.

tức là lớp ngoài của não.

Bằng cách áp dụng một sự kết hợp hơi khác nhau từ các yếu tố sinh trưởng,

By using a slightly different combination of factors,

we can turn them into a spinal cord.

chúng tôi có thể biến chúng trở thành tủy sống.

The secret to this process is careful guidance.

Bí mật của quá trình này là quy trình hướng dẫn kỹ lưỡng.

In the end, they look like this.

Kết quả là chúng sẽ trông như thế này.

Tiny clusters of brain cells at the bottom of a dish.

Các cụm tế bào não bé xíu nằm ở dưới đáy của một cái đĩa.

And let me be clear.

Và tôi xin nói rõ.

This are not brains in a jar.

Đây không phải là bộ não đặt trong bình thủy tinh.

(Laughter)

(Tiếng cười)

These are parts of the nervous system in a laboratory dish.

Đây là các bộ phần của hệ thần kinh trong một chiếc đĩa thí nghiệm.

Each of them contains millions of cells,

Mỗi trong số chúng chứa hàng triệu tế bào,

and we can even listen as they fire electrical signals.

và thậm chí chúng ta có thể nghe thấy khi chúng sinh ra các tín hiệu điện thế.

(Electrical signals firing)

(Tiếng tín hiệu điện thế)

Or we can watch them

Hoặc ta có thể nhìn thấy chúng

as they sparkle with electrical activity.

khi chúng nhấp nháy tia sáng do những hoạt động điện.

Or we can image inside and watch the cells as they communicate with each other.

Hoặc ta có thể chụp ảnh nội mô và xem các tế bào giao tiếp với nhau.

Isn't it remarkable to think that just a few months ago

Nó thật ấn tượng phải không nào khi nghĩ rằng chỉ vài tháng trước

these cells were skin cells in a patient,

những tế bào này là tế bào da của một bệnh nhân,

and now they are neural cells at the bottom of a dish

và bây giờ chúng là những tế bào thần kinh nằm ở đáy đĩa

that we can study at ease.

mà chúng ta có thể nghiên cứu dễ dàng.

(Applause)

(Tiếng vỗ tay)

Thank you.

Cảm ơn.

Với những mô hình phát triển não bộ này,

So with these models of brain growth,

we started wondering: Could we use them to start to understand disease?

chúng tôi bắt đầu tự hỏi rằng:

Liệu chúng ta có thể sử dụng chúng để tìm hiểu về bệnh tật không?

So for instance, we wanted to know,

Chẳng hạn như, chúng tôi muốn biết,

could we understand how low oxygen impacts the brains of premature babies?

liệu mức độ oxy thấp ảnh hưởng như thế nào đến não bộ của trẻ sinh non?

So to do this, we took brain organoids and put them in a special incubator.

Để làm điều này, chúng tôi đã lấy mô não organoid và đặt trong một tủ ủ đặc biệt.

We then lowered the concentration of oxygen and watched them.

Sau đó chúng tôi giảm nồng độ oxy và quan sát chúng.

We discovered something quite interesting.

Chúng tôi phát hiện ra một điều khá thú vị.

Only one specific cell type was affected by the low oxygen.

Chỉ có một loại tế bào cụ thể bị ảnh hưởng bởi lượng oxy thấp.

That cell type is responsible for the expansion of the human cortex.

Loại tế bào đó chịu trách nhiệm cho việc mở rộng vỏ não của con người.

We found exactly how that happens

Chúng tôi đã tìm ra chính xác cách điều đó xảy ra

and even found the drug that could prevent that process.

và thậm chí còn tìm ra loại thuốc có thể ngăn chặn quá trình đó.

These clumps of three-dimensional tissue

Những khối mô ba chiều này

can be grown in a dish for years.

có thể được nuôi cấy trong một chiếc đĩa trong nhiều năm.

In fact, we've maintained the longest cultures

Thực tế, chúng tôi đã duy trì được môi trường nuôi cấy lâu nhất

that have been reported to date, going beyond 800 days.

được báo cáo cho đến nay, là hơn 800 ngày.

At nine to 10 months, which is the equivalent of birth,

Khi được 9 đến 10 tháng, tương đương với thời gian sinh đẻ,

they slowly transitioned, and they started to resemble the postnatal brain.

chúng dần dần chuyển đổi, và bắt đầu giống với bộ não sau khi sinh.

We have discovered a brain clock

Chúng tôi đã phát hiện ra đồng hồ não bộ

which keeps track of time in a dish and outside of the uterus.

theo dõi thời gian trong đĩa nuôi cấy và bên ngoài tử cung.

Understanding the molecular mechanisms that underlie this brain clock

Hiểu các cơ chế phân tử đằng sau đồng hồ não bộ này

could be key to finding new strategies

có thể là chìa khóa tìm ra các chiến lược mới

to either accelerate or decelerate or rejuvenate human brain cells.

để tăng tốc hoặc giảm tốc hoặc trẻ hóa các tế bào não người.

The work that I've shown you so far

Công việc mà tôi vừa cho các bạn thấy

is pioneering not just because of what it teaches us

đang tiên phong không chỉ vì những gì nó dạy chúng ta

about the human brain,

về bộ não con người,

but also because of the frontiers of ethics.

mà còn là vì những khía cạnh mới về đạo đức.

Organoids and assembloids are not full replicas of the human brain.

Organoids và assembloids không phải là bản sao đầy đủ của bộ não con người.

They're not brains in a jar. They're not minibrain.

Chúng không phải là bộ não đặt trong bình. Chúng không là bộ não mini.

They're not some stepping stone to a Frankenstein monster.

Chúng không phải là bàn đạp để tạo ra một con quái vật Frankenstein.

They have no blood flow,

Chúng không có dòng máu chảy,

they receive no meaningful inputs and outputs.

chúng không nhận được tín hiệu đầu vào và đầu ra đúng nghĩa.

But at one point, they may become more complex.

Nhưng có lúc, chúng có thể trở nên phức tạp hơn.

At one point, they may receive sensory input.

Có lúc, chúng có thể nhận được tín hiệu cảm giác.

So as the science advances,

Vậy nên khi khoa học tiến bộ,

we in the scientific community have been very careful

cộng đồng khoa học chúng tôi đã rất thận trọng

about discussing what are some of the ethical questions,

khi thảo luận về một số câu hỏi đạo đức,

the societal implications and potential regulations.

ý nghĩa xã hội và các quy định tiềm năng.

Hầu hết công việc mà tôi đã cho các bạn thấy từ nãy đến giờ

Most of the work that I’ve shown you so far

has been in one specific brain region.

đều nằm ở một vùng não cụ thể.

But to really understand circuits,

Nhưng để thực sự hiểu về các mạch,

we actually need to build more complicated brain circuits.

chúng ta thực chất cần xây dựng các mạch não phức tạp hơn.

And so to do this, six years ago,

Và để làm được điều này, sáu năm trước,

chúng tôi đã nghĩ ra một phương pháp mới để xây dựng các mạch của con người

we came up with a new approach to build human circuits

called an assembloid.

được gọi là assembloid.

Assembloids are essentially blocks of tissue

Assembloids về cơ bản là các khối mô

that we build in a dish from multiple organoids put together.

mà chúng tôi tạo ra trong một đĩa từ nhiều mô organoid ghép lại với nhau.

When we put two brain organoids together,

Khi chúng tôi đặt hai mô não organoid lại với nhau,

we discovered something really fascinating.

chúng tôi khám phá ra được một điều vô cùng thú dị.

First, they fused to each other.

Đầu tiên, chúng hợp nhất với nhau.

But then they started to communicate,

Rồi sau đó chúng bắt đầu giao tiếp,

and brain cells from one side

và các tế bào não từ một phía

started to slowly migrate onto the other side

bắt đầu từ từ di chuyển sang phía bên kia

and form circuits,

và hình thành các mạch,

much like they would in the actual brain.

giống hệt như cách chúng thực hiện trong bộ não thực.

In fact, we can even watch them live as they move from one side to the other.

Trên thực tế, chúng ta thậm chí có thể quan sát trực tiếp

khi chúng di chuyển từ bên này sang bên kia.

I still remember how we were in the lab in absolute awe

Tôi vẫn nhớ cảm giác vô cùng kinh ngạc ở trong phòng thí nghiệm

when we saw for the first time

khi chúng tôi quan sát lần đầu tiên

how human cells undergo this peculiar jumping behavior.

cách mà các tế bào người trải qua hành vi nhảy cóc riêng biệt này.

This is all fascinating, but what is it actually good for?

Nó thật thú vị, nhưng việc này có mang lại lợi ích nào không?

Dysfunction in the human brain causes brain disorders,

Rối loạn chức năng trong não người gây ra các chứng rối loạn về não,

such as autism and schizophrenia and Alzheimer's disease,

ví dụ như bệnh tự kỷ và tâm thần phân liệt và bệnh Alzheimer,

devastating conditions that are poorly understood.

các cơ chế gây bệnh vẫn chưa được hiểu rõ.

Nearly one in five individuals suffers from a psychiatric disease.

Cứ 5 người thì có khoảng 1 người mắc một căn bệnh tâm thần.

What is even more striking

Điều thậm chí đáng chú ý hơn

is that the lowest success rate for finding new drugs

chính là tỷ lệ thành công trong việc tìm ra thuốc mới đạt mức thấp nhất

is in psychiatry, out of all the branches of medicine,

là ở ngành tâm thần học, trong tổng số tất cả các ngành y học,

likely because until now we couldn't really access the human brain.

có thể bởi vì cho đến bây giờ

chúng ta vẫn chưa thực sự hiểu rõ hết được bộ não con người.

Using brain organoids and assembloids,

Bằng cách sử dụng các organoids và assembloids,

we can create avatars for a patient's brain development

chúng ta có thể tái hiện sự phát triển não bộ của bệnh nhân

and then use those to dissect the molecular mechanism of disease.

và sau đó sử dụng chúng để mổ xẻ cơ chế phân tử của bệnh.

Let me give you one example.

Hãy để tôi cho bạn một ví dụ.

As you have seen,

Như bạn đã thấy,

assembloids can be used

assembloids có thể được sử dụng

to model this healthy jumping behavior of neurons.

để mô hình hóa hành vi nhảy lành mạnh này của các nơ-ron thần kinh.

Vậy những gì chúng tôi đã làm là

So what we did is we created assembloids from patients with Timothy syndrome,

tạo ra các assembloid từ những bệnh nhân mắc hội chứng Timothy,

which is a rare genetic disease associated with autism and epilepsy.

một bệnh di truyền hiếm gặp liên quan đến chứng tự kỷ và động kinh.

When we looked inside the assembloids, we noticed something remarkable.

Khi nhìn vào trong các assembloid, chúng tôi nhận thấy một điều đáng chú ý.

The cells were moving much faster,

Các tế bào di chuyển nhanh hơn nhiều,

nhưng mỗi lần chúng nhảy, chúng sẽ nhảy một khoảng cách ngắn hơn.

but every time they would jump, they would jump a shorter distance.

So in the end, they would be left behind.

Vì nên cuối cùng, chúng sẽ bị bỏ lại phía sau.

Over the past six years in extensive studies,

Trong vòng 6 năm qua với các nghiên cứu sâu rộng,

we've actually dissected the molecular mechanism of this defect

chúng tôi đã thực sự mổ xẻ cơ chế phân tử của căn bệnh này

and even found ways of restoring it.

và thậm chí còn tìm ra cách khôi phục nó.

Và chúng tôi vui mừng khi có thể tiếp cận một con đường trị liệu tiềm năng

And we're excited to be moving towards a potential therapeutic avenue

in the next year or so.

vào năm tới hoặc vài năm nữa.

(Applause)

(Tiếng vỗ tay)

The premise of organoids and assembloids

Triển vọng của các organoid và assembloid

is that they will slowly allow us to gain new insights

là chúng sẽ dần dần cho phép chúng ta đạt được những hiểu biết mới

into the hidden biology of the human brain.

về kiến thức sinh học tiềm ẩn trong bộ não con người.

And by doing so,

Và bằng cách đó,

they could revolutionize the way we think about human brain development, evolution,

chúng có thể cách mạng hóa cách chúng ta nghĩ về sự phát triển, tiến hóa,

function and disease.

chức năng và bệnh của bộ não con người.

Vậy điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

So what's next?

Well, to really be able to gain insight into more complex brain disorders,

Chà, để thực sự có thể hiểu sâu về các chứng rối loạn não phức tạp hơn,

we need to build more complex circuits.

chúng ta cần tạo ra các mạch phức tạp hơn.

So in the last minute, let me show you

Vậy trong những phút cuối, hãy để tôi cho các bạn thấy

the most complicated circuit we have built to date.

mạch phức tạp nhất mà chúng tôi đã tạo ra cho đến nay.

The circuit that controls voluntary movement.

Mạch kiểm soát chuyển động tự nguyện.

To do this, we've created three organoids.

Để làm điều này, chúng tôi đã tạo ra 3 organoid.

One, shown here in purple, that resembles the cortex.

Một, được hiển thị ở đây với màu tím, giống với vỏ não.

One, in yellow, that resembles the spinal cord,

Một màu vàng giống tủy sống

and one, in red, that resembles human muscle.

và một màu đỏ giống cơ người.

We then put them together and watched them fuse

Sau đó chúng tôi đặt chúng lại với nhau và quan sát chúng hợp nhất

and noticed something really spectacular.

và nhận thấy một thứ gì đó thực sự ngoạn mục

Neurons on the cortical side started extending axons,

Các nơ-ron thần kinh ở phía vỏ não bắt đầu kéo dài các sợi trục,

tìm các nơ-ron thần kinh vận động cột sống ở phía cột sống,

find spinal motor neurons in the spinal side,

connect with them,

liên kết với chúng,

and then those farther project and connect to muscle.

và sau đó chúng tiếp tục kéo dài xa hơn và liên kết với phía cơ.

When we put a light stimulus on the cortical site,

Khi chúng tôi đặt một kích thích nhẹ lên vùng vỏ não,

we noticed the muscle on the opposite side contract.

chúng tôi nhận thấy phần cơ ở bên đối diện co lại.

Lần đầu tiên chúng tôi đã mô hình hóa được một con đường vận động vỏ não người.

We have modeled for the first time a human cortical motor pathway.

(Applause)

(Tiếng vỗ tay)

And let me be clear.

Và để tôi làm rõ hơn.

These cells find each other.

Những tế bào này tự tìm thấy nhau.

Unlike in engineering, we don't have a master plan,

Không giống trong kỹ thuật, chúng tôi không có kế hoạch tổng thể,

we don't provide a plan because the human brain builds itself.

chúng tôi không cung cấp một kế hoạch vì bộ não con người tự tạo ra nó.

And then in itself, it's a remarkable opportunity

Và chính bản thân nó đã tự làm điều đó,

Đây là một cơ hội đặc biệt để thử kỹ thuật kỹ nghệ đảo ngược.

to try to reverse engineer

what are some of the steps that underlie human brain development?

Một số bước nền tảng cho sự phát triển não bộ con người là gì?

Tôi biết tất cả điều này nghe có vẻ khoa học viễn tưởng,

I know that this all sounds science fiction,

nhưng hiện nay chúng tôi làm điều này thường xuyên trong phòng thí nghiệm.

but we now do this routinely in the lab.

We have derived thousands and thousands of organoids and assembloids

Chúng tôi đã thu được hàng ngàn và hàng ngàn các organoid và assembloid

from patients with various neuropsychiatric diseases,

từ những bệnh nhân mắc các bệnh tâm thần kinh khác nhau,

including, for instance,

bao gồm, ví dụ,

infecting them with viruses such as polio virus

làm chúng nhiễm các loại vi-rút như vi-rút bại liệt

to understand how diseases arise.

để hiểu cách bệnh phát sinh.

The statistician George Box famously said,

Nhà thống kê George Box từng nói một câu nổi tiếng là:

"All models are wrong, but some are useful."

“Mọi mô hình đều sai, nhưng có một số vẫn hữu ích.”

(Laughter)

(Tiếng cười)

I do the work that I do

Tôi vẫn làm công việc mà tôi làm

because the promise and hope of brain assembloids and organoids

bởi vì triển vọng và hy vọng của các bộ não assembloid và organoid

is that by allowing us to recreate circuits of the human brain,

là bằng cách cho phép chúng ta tái tạo các mạch của não người,

we will gain new insights into human biology.

chúng ta sẽ đạt được những hiểu biết mới về sinh học người.

And this in itself will open a new era in the treatment of brain disorders.

Và bản thân điều này sẽ mở ra một kỷ nguyên mới trong điều trị rối loạn não bộ.

Thank you.

Xin cảm ơn.

(Applause)

(Tiếng vỗ tay)