Đó là vào thời gian hai ngày trước hôm thi cuối kỳ môn giải phẫu học và tôi đã ở lại trong phòng thí nghiệm tới khoảng 2 giờ sáng để ghi nhớ các dây thần kinh sọ. Ở người có 12 đôi thần kinh sọ, trong đó mỗi dây tách nhánh và xoắn cuộn khác thuờng bên trong hộp sọ. Để nghiên cứu được chúng, chúng tôi phải bổ đôi sọ theo chiều từ trán xuống cằm và cưa lộ một số xương vùng má. Cứ thế, với mỗi tay cầm một nửa cái đầu, tôi đã lần theo đường ngoằn ngoèo của dây thần kinh đi từ não bộ đến các cơ và cơ quan cảm giác khác nhau bên trong cơ thể.

Tôi bị cuốn hút bởi hai dây thần kinh sọ, dây thần kinh sinh ba và dây thần kinh mặt. Cấu tạo phức tạp của chúng nằm ở một thứ đơn giản, dễ hiểu đến mức tôi nhìn nhận phần đầu của con người theo một cách mới. Cách nhìn thấu đáo này bắt nguồn từ những hiểu biết về hệ thần kinh có cấu tạo đơn giản hơn nhiều của cá mập. Sự tinh tế của khám phá này – mặc dù nó chẳng có gì mới mẻ; những nhà giải phẫu học so sánh đã biết đến nó từ hơn một thế kỷ – và áp lực của kỳ thi sắp tới đã khiến tôi quên mất mình đang ở đâu. Có một lúc, tôi quan sát xung quanh. Đó là vào nửa đêm và tôi chỉ còn một mình trong phòng thí nghiệm. Tôi đang đứng giữa 25 thi thể phủ vải. Lần đầu tiên và cũng là lần cuối cùng, tôi thực sự sợ hãi. Tôi đã bị kích động tới mức dựng tóc gáy, đôi chân của tôi đã làm đúng chức năng của chúng, chỉ trong một phần nghìn giây tôi đã ở bến xe buýt, mệt đứt hơi. Thực sự tôi cảm thấy lố bịch. Tôi còn nhớ đã tự nhủ thầm: Shubin, mày đã kiên cường rồi đây. Ý nghĩ đó không trụ được lâu; tôi sớm nhận ra rằng tôi đã quên chìa khóa nhà trong phòng thí nghiệm.

Điều làm tôi trở nên kiên cường là giải phẫu đầu cực kỳ thú vị, thực sự tuyệt vời. Một trong những niềm vui trong khoa học là đôi khi chúng ta tìm thấy mẫu hình tiết lộ một trật tự nơi những thứ ban đầu tưởng chừng như hỗn độn. Một mớ bòng bong trở thành một phần của một sơ đồ đơn giản và bạn cảm thấy mình đang nhìn xuyên thấu qua một cái gì đó để tìm ra bản chất của nó. Chương này sẽ nói về việc tìm ra bản chất bên trong cái đầu của chúng ta. Và tất nhiên là trong đầu của các loài cá nữa.

SỰ HỖN ĐỘN BÊN TRONG CÁI ĐẦU

Giải phẫu đầu không chỉ phức tạp mà còn khó quan sát, bởi vì, không giống như các phần khác của cơ thể, các mô phần đầu được bao bọc trong một hộp bằng xương. Chúng ta thực sự phải nhìn xuyên qua má, trán và hộp sọ để thấy được các mạch máu và cơ quan bên trong. Khi mở phần đầu ra, chúng ta thấy một đống những thứ trông như dây câu cá bị rối vào nhau. Các mạch máu và dây thần kinh tạo thành các búi và vòng xoắn lạ kỳ khi chúng chạy xuyên hộp sọ. Hàng nghìn nhánh dây thần kinh, cơ, và xương nằm trong cái hộp nhỏ bé này. Thoạt nhìn, toàn bộ sự sắp xếp này là một mớ vô cùng hỗn độn.

Hộp sọ của chúng ta được tạo thành từ ba phần cơ bản: các tấm, khối và que xương. Các tấm xương sọ bao lấy bộ não của chúng ta. Hãy vỗ nhẹ lên đỉnh đầu mình, các bạn sẽ cảm nhận được chúng. Những tấm xương lớn này khớp khít với nhau như các mảnh xếp hình, và tạo nên phần lớp hộp sọ. Khi chúng ta sinh ra, các tấm xương này chưa liền với nhau; các khoảng cách nằm giữa chúng, phần thóp, nhìn được ở trẻ sơ sinh, đôi khi phập phồng cùng với mô não bên dưới. Khi chúng ta lớn lên, các xương phát triển rộng ra và lúc chúng ta khoảng hai tuổi thì chúng gắn kín lại với nhau.

Một phần khác của xương sọ chúng ta nằm bên dưới bộ não tạo thành giá đỡ để nâng đỡ bộ não. Không giống với các xương dạng tấm ở đỉnh sọ, những xương này trông giống các khối phức tạp và có nhiều động mạch, dây thần kinh chạy qua. Loại xương thứ ba tạo nên hàm, một số xương ở vùng tai và các xương khác ở cổ họng của chúng ta; những xương này lúc bắt đầu phát triển trông giống như các que. Sau đó chúng bị phân tách và thay đổi hình dạng để giúp chúng ta nhai, nuốt và nghe.

Bên trong hộp sọ là một số khoang và khoảng trống chứa các cơ quan khác nhau. Rõ ràng là bộ não chiếm khoảng không gian lớn nhất trong số các khoang này. Những khoảng trống khác dành cho mắt, các phần của tai và các cấu trúc mũi của chúng ta. Thách thức lớn nhất trong việc tìm hiểu giải phẫu của đầu là quan sát các khoảng trống và cơ quan khác nhau này trong không gian 3 chiều.

Các tấm, khối và que xương: những phần chính của sọ. Mọi xương phần đầu của chúng ta đều có nguồn gốc từ những cấu tạo này.

Gắn với xương và các cơ quan trong đầu là các cơ nhai, cơ nói, cơ chuyển động mắt và cơ cử động đầu. Mười hai đôi dây thần kinh hỗ trợ cho những cơ này, mỗi dây thần kinh đi từ bộ não tới một vùng khác nhau bên trong đầu. Đây là những dây thần kinh não đáng sợ.

Chìa khóa để giải mã những điểm cơ bản của đầu là nhìn nhận các dây thần kinh não không chỉ là một mớ bòng bong. Thật ra, phần lớn trong số chúng rất đơn giản. Các dây thần kinh não đơn giản nhất chỉ có một chức năng và chúng gắn với một cơ hoặc một cơ quan. Dây thần kinh não chạy tới mũi, cơ quan khứu giác, chỉ có một nhiệm vụ: truyền thông tin từ các mô ở mũi lên não. Một số dây thần kinh chạy tới mắt và tai cũng có chức năng đơn giản như vậy: thần kinh thị giác liên quan tới việc nhìn; thần kinh thính giác có chức năng nghe. Về phần bốn dây thần kinh não khác, chúng chỉ có chức năng điều khiển cơ – như giúp mắt chuyển động bên ổ mắt hoặc giúp đầu xoay phía trên cổ.

Nhưng có bốn đôi thần kinh não khiến sinh viên ngành y mất hàng thập kỷ để học. Rõ ràng, bốn đôi này có các chức năng rất phức tạp và chạy quanh co bên trong đầu để thực hiện nhiệm vụ của chúng. Thần kinh sinh ba và thần kinh mặt xứng đáng có vị trí đặc biệt. Cả hai đôi thần kinh này đi ra từ não và phân nhánh thành một mạng lưới rối rắm. Giống như một đường cáp có cả tín hiệu tivi, Internet và điện thoại, một nhánh đơn của thần kinh sinh ba hoặc thần kinh mặt có thể mang cả thông tin cảm giác và vận động. Các sợi đơn mang thông tin cảm giác và vận động xuất phát từ các phần khác nhau của bộ não đuợc hợp nhất trong bó dây cáp (mà chúng ta gọi là dây thần kinh sinh ba và dây thần kinh mặt), rồi lại phân nhánh lần nữa để phân tán khắp phần đầu.

Các nhánh thần kinh sinh ba có hai chức năng chính: chúng kiểm soát cơ và truyền thông tin cảm giác ở hầu hết vùng mặt về não bộ của chúng ta. Các cơ được thần kinh sinh ba kiểm soát gồm những cơ chúng ta dùng để nhai cũng như những vi cơ nằm sâu trong tai. Thần kinh sinh ba cũng là dây thần kinh cảm giác chính ở vùng mặt. Nguyên nhân vì sao một cái tát vào mặt tạo cảm giác đau đến thế là do, ngoài vấn đề đau đớn do cảm xúc, thần kinh sinh ba truyền thông tin cảm giác từ da mặt của chúng ta lên não. Các nha sĩ cũng biết rõ về các nhánh của thần kinh sinh ba. Các nhánh thần kinh khác nhau chạy tới gốc răng; một lần gây tê dọc theo một trong những nhánh thần kinh này có thể làm mất cảm giác ở các phần khác nhau của hàm răng.

Thần kinh mặt cũng kiểm soát các cơ và truyền thông tin cảm giác. Đúng như tên gọi, nó là dây thần kinh chính kiểm soát các cơ biểu cảm của khuôn mặt. Chúng ta sử dụng những cơ nhỏ bé này để cười, nhăn mặt, nhướng hoặc hạ lông mày, phồng lỗ mũi và các chuyển động tương tự. Chúng có những cái tên cực kỳ kêu. Một trong những cơ chính chúng ta dùng khi nhăn mặt – nó kéo góc miệng của chúng ta xuống dưới – được gọi là cơ hạ góc miệng. Một cái tên tuyệt vời khác thuộc về cơ dùng để nhíu mày khi chúng ta lo lắng: cơ nhăn lông mày. Phồng được lỗ mũi là nhờ ta dùng đến cơ mũi. Mỗi một cơ này, giống với tất cả các cơ biểu cảm ở mặt khác, đều được điều khiển bằng các nhánh thần kinh mặt. Những động tác như cười không cân hoặc sụp mí mắt không đều là dấu hiệu không bình thường của thần kinh mặt ở một bên mặt của người đó.

Có lẽ bạn đã bắt đầu hiểu tại sao tôi lại thức khuya như vậy để nghiên cứu về những dây thần kinh này. Những điều này dường như chẳng có ý nghĩa gì. Ví dụ, cả thần kinh sinh ba và thần kinh mặt đều phát nhánh tới các cơ trong tai của chúng ta. Tại sao hai dây thần kinh khác biệt này, vốn phân nhánh tới các phần hoàn toàn khác nhau ở vùng mặt và hàm, lại phân nhánh tới những cơ tai nằm ngay cạnh nhau như vậy? Càng khó hiểu hơn, thần kinh sinh ba và thần kinh mặt gần như giao thoa với nhau khi chúng phân nhánh tới vùng mặt và hàm của chúng ta. Tại sao? Những chức năng thừa kỳ quặc và đường nhánh quanh co như vậy dường như chẳng ăn nhập hoặc phù hợp với cấu trúc của chúng, càng khó giải thích làm thế nào để những dây thần kinh này khớp với các xương dạng các tấm, khối và que của hộp sọ chúng ta.

Khi nghĩ về những dây thần kinh này, tôi đã nhớ lại những ngày đầu ở Chicago vào năm 2001. Tôi đã được phân chỗ trong phòng thí nghiệm nghiên cứu của tòa nhà một trăm tuổi và phòng thí nghiệm cần các đường cáp đa dụng mới, đường ống nước và thông hơi. Tôi nhớ đến cái ngày khi bên thi công lần đầu tiên mở các bức tường để tiếp cận những bộ phận bên trong tòa nhà. Phản ứng của họ với hệ thống đường ống và dây dẫn bên trong tường cũng giống hệt như phản ứng của tôi lần đầu tiên khi mở hộp sọ để nhìn thấy thần kinh sinh ba và thần kinh mặt. Các dây điện, dây cáp và ống trong tường là một mớ bòng bong. Không ai có tư duy tốt lại thiết kế một tòa nhà từ đầu như vậy, với dây cáp và ống tạo thành những búi và vòng xoắn kỳ quặc xuyên suốt tòa nhà.

Và đó chính là điều mà tôi muốn nói. Tòa nhà của tôi được xây dựng vào năm 1896 và các tiện ích phản ánh một thiết kế cũ kỹ đã được chắp vá thêm qua mỗi lần tu sửa. Nếu bạn muốn hiểu về dây điện và ống nước trong tòa nhà này thì bạn phải hiểu về lịch sử của nó, cách nó được tu sửa qua mỗi thế hệ các nhà khoa học. Cái đầu của tôi cũng có một lịch sử lâu dài, và quá trình lịch sử này giải thích các dây thần kinh phức tạp như thần kinh sinh ba và thần kinh mặt.

Đối với chúng ta, lịch sử đó bắt đầu từ một quả trứng được thụ tinh.

BẢN CHẤT NẰM BÊN TRONG CÁC PHÔI BÀO

Không có ai bắt đầu sự sống đã có ngay một cái đầu: tinh trùng và trứng gặp gỡ nhau tạo nên một tế bào đơn lẻ. Trong vòng ba tuần sau thời điểm thụ tinh, đơn bào này lớn lên thành một quả cầu nhiều tế bào, rồi sau đó thành một tập hợp tế bào hình đĩa lõm giống như một chiếc Frisbee, tiếp đó thành một cấu trúc trông gần giống một ống bao gồm các loại mô khác nhau. Giữa ngày thứ 23 và 28 sau khi trứng được thụ tinh, phần đầu trước ống dày lên và gấp nếp phủ lên cơ thể, như vậy phôi trông như nó đã bị cuộn lên trong tư thế của bào thai. Đầu vào giai đoạn này trông giống như một khối tròn lớn. Phần gốc của khối này giữ vai trò chủ chốt đối với hầu hết cấu tạo cơ bản của đầu.

Bốn điểm phình nhỏ phát triển xung quanh vùng này sẽ trở thành cổ họng. Khoảng ba tuần tuổi chúng ta sẽ thấy hai điểm lồi đầu tiên và hai điểm lồi còn lại xuất hiện sau khoảng bốn ngày sau đó. Mỗi điểm lồi ở bề mặt bên ngoài trông không có gì đặc biệt: một khối tròn đơn giản, tách biệt khỏi điểm lồi kế tiếp bằng một nếp gấp nhỏ. Khi bạn theo dõi điều gì diễn ra với các khối tròn và nếp gấp, bạn bắt đầu thấy trật tự và vẻ đẹp của phần đầu, trong đó có các dây thần kinh sinh ba và thần kinh mặt.

Trong số các tế bào bên trong mỗi khối tròn, được gọi là cung (cung mang), một số sẽ hình thành mô xương, số khác tạo thành mô cơ và các mạch máu. Có một phức hợp nhiều tế bào bên trong mỗi cung; một số tế bào được phân chia ngay tại đó trong khi số khác di cư một quãng dài vào trong từng cung. Khi chúng ta nhận biết các tế bào trong mỗi cung dựa vào nơi chúng phân bố ở cơ thể trưởng thành, mọi thứ bắt đầu trở nên có ý nghĩa.

Sau cùng, các mô của cung đầu tiên tạo nên hàm trên và hàm dưới, hai xương tai nhỏ xíu (xương búa và xương đe) và tất cả mạch máu cùng các cơ hỗ trợ cho chúng. Cung thứ hai hình thành nên xương tai nhỏ thứ ba (xương bàn đạp), một xương họng nhỏ và phần lớn cơ kiểm soát sự biểu cảm của khuôn mặt. Cung thứ ba tạo thành xương, cơ và các dây thần kinh nằm sâu hơn trong cổ họng; chúng ta sử dụng những cơ quan này để nuốt. Cuối cùng, cung thứ tư hình thành nên phần sâu nhất trong cổ họng, bao gồm các phần của hầu, cơ và các mạch máu bao quanh giúp nó hoạt động.

Nếu bạn thu nhỏ mình bằng kích thước đầu mũi ghim và đi vào bên trong khoang miệng của một phôi đang phát triển, bạn sẽ thấy những chỗ lõm tương ứng với mỗi điểm lồi. Có bốn chỗ lõm vào. Và giống như các cung phía bên ngoài, các tế bào trên chỗ lõm hình thành nên những cấu trúc quan trọng. Chỗ lõm đầu tiên kéo dài thành ống nhĩ – hầu (ống Eustach) và một số cấu trúc trong tai. Chỗ lõm thứ hai hình thành hốc giữ amiđan. Chỗ lõm thứ ba và thứ tư hình thành các tuyến quan trọng, trong đó có tuyến cận giáp, tuyến ức và tuyến giáp.

Những gì tôi vừa cung cấp cho các bạn là một trong những mẹo rất tốt để hiểu rõ các dây thần kinh não phức tạp nhất cũng như các phần có kích thước lớn của đầu. Khi bạn nghĩ tới thần kinh sinh ba, hãy nghĩ ngay tới cung thứ nhất. Thần kinh mặt, cung thứ hai. Lý do mà thần kinh sinh ba chạy tới cả hàm và tai là vì tất cả các cấu trúc mà nó hỗ trợ đều phát triển từ cung thứ nhất. Điều tương tự cũng xuất hiện ở thần kinh mặt và cung thứ hai. Cơ biểu cảm trên mặt có điểm chung gì với các cơ trong tai do thần kinh mặt hỗ trợ? Tất cả chúng là sản phẩm của cung thứ hai. Đối với thần kinh của cung thứ ba và thứ tư, đường đi phức tạp của chúng đều liên quan tới phân nhánh cấu trúc dây thần kinh xuất hiện từ các cung tương ứng. Các dây thần kinh bắt nguồn từ cung thứ ba và thứ tư, trong đó có thần kinh lưỡi hầu và phế vị, tuân theo quy luật tương tự với các dây thần kinh ở phía trước, mỗi dây phân nhánh tới các cấu trúc phát triển từ các cung có liên quan.

Bản thiết kế cơ sở này của đầu giúp chúng ta hiểu được một trong những giai thoại trong giải phẫu học. Chuyện kể rằng vào năm 1820, Johannes Goethe đang đi ngang qua nghĩa địa người Do thái ở Venice thì nhìn thấy một bộ xương đang phân hủy của một con cừu non. Cột sống lộ ra và bên trên là một hộp sọ bị hư hại. Trong một phút linh ứng, Goethe thấy các chỗ vỡ của hộp sọ trông giống một mớ hỗn độn các đốt sống. Đối với Goethe, điều này cho thấy quy luật cơ bản bên trong: đầu được tạo ra từ các đốt sống gắn kết với nhau và phát triển thành vòm sọ giữ trọn bộ não và các cơ quan cảm giác bên trong. Đây là một ý tưởng mang tính cách mạng bởi vì nó đã kết nối phần đầu với cơ thể dưới dạng hai phiên bản của cùng một thiết kế cơ bản. Quan niệm này chắc là khá phổ biến vào đầu những năm 1800 vì những người khác, trong số đó có Lorenz Oken, được cho là đã tìm ra ý tưởng giống như vậy trong một bối cảnh tương tự.

Nếu chúng ta theo dõi sự phát triển của các cung mang từ phôi tới giai đoạn trưởng thành, chúng ta có thể tìm ra nguồn gốc của hàm, tai, hầu và cổ họng. Xương, cơ, dây thần kinh và động mạch đều phát triển bên trong những cung mang này.

Cả Goethe và Oken đã nhận ra đặc điểm có ý nghĩa rất quan trọng mặc dù vào thời bấy giờ họ không biết rõ về nó. Cơ thể của chúng ta được phân đốt và kiểu cấu tạo này thấy rõ nhất ở các đốt sống. Mỗi một đốt sống là một khối đại diện cho một đốt của cơ thể. Tổ chức dây thần kinh của chúng ta cũng phân đốt, liên quan mật thiết với kiểu phân đốt của đốt sống. Các dây thần kinh đi ra từ tủy sống để hỗ trợ cho cơ thể. Cấu trúc dạng đốt thể hiện rõ khi chúng ta quan sát các vị trí của tủy sống tương quan với từng phần của cơ thể chúng ta. Ví dụ, các cơ ở hai chân của chúng ta được dây thần kinh đi ra từ phần phía dưới tủy sống hỗ trợ chứ không phải các dây thần kinh hỗ trợ phần cánh tay ở trên. Phần đầu có thể trông không rõ, nhưng chúng cũng có kiểu phân đốt rất rõ nét. Các cung của chúng ta quyết định các đốt xương, cơ, động mạch và thần kinh. Hãy nhìn vào cơ thể trưởng thành, và bạn sẽ không thấy kiểu phân đốt này. Chúng ta chỉ thấy nó ở giai đoạn phôi.

Hộp sọ của chúng ta đã mất đi những đặc điểm rõ ràng về nguồn gốc phân đốt khi chúng ta phát triển từ phôi thành cơ thể trưởng thành. Các xương dạng tấm của sọ hình thành phía ngoài các cung mang và các cơ, dây thần kinh và mạch máu, tất cả lúc đầu đều có kiểu phân đốt rất đơn giản, rồi được sắp xếp lại để tạo thành đầu ở cơ thể trưởng thành.

Hiểu được một số khái niệm về sự phát triển có thể giúp chúng ta dự đoán nơi tìm kiếm các cấu trúc bị thiếu ở các trẻ em có dị khuyết bẩm sinh. Ví dụ, trẻ em sinh ra với hội chứng ở cung thứ nhất sẽ có một bộ hàm rất nhỏ và tai không hoạt động vì không có xương búa hoặc xương đe. Những khiếm khuyết này vốn là những cấu trúc thông thường do cung mang thứ nhất tạo ra.

Các cung là lộ trình cho các khối chính của sọ, từ các dây thần kinh não phức tạp nhất cho tới cơ, mạch máu, xương và các tuyến bên trong. Các cung cũng giúp dẫn dắt tới một vấn đề khác: mối liên hệ sâu xa của chúng ta với cá mập.

CON CÁ MẬP TRONG TA

Thông điệp gửi gắm trong mọi câu chuyện đùa về giới luật sư chính là: họ như một loại cá mập cực kỳ tham ăn. Khi giảng môn phôi thai học và trong lúc đang kể một trong những câu chuyện đùa ưa thích hay được nhắc lại, tôi nhớ mình đã nghĩ rằng lời đùa cợt này dành cho tất cả chúng ta. Chúng ta là những con cá mập đã thay hình đổi dạng – hoặc tệ hơn, có một luật sư trong mỗi chúng ta.

Như chúng ta thấy, phần lớn bí mật của cái đầu nằm ở các cung, những chỗ lồi cung cấp cho chúng ta lộ trình của các dây thần kinh não phức tạp và các cấu trúc chủ đạo bên trong phần đầu. Những chỗ lồi và phần lõm trông không có gì đặc biệt đó đã thu hút trí tưởng tượng của các nhà giải phẫu học trong suốt 150 năm qua vì chúng trông giống như khe mang ở vùng họng của cá xương và cá mập.

Phôi cá cũng có những chỗ lõm và chỗ lồi như vậy. Ở cá xương, các vùng lõm cuối cùng mở ra để hình thành nên khoảng trống giữa các khe mang, nơi nước chảy qua. Ở loài người chúng ta, các vùng lõm thường được đóng kín lại. Trong các trường hợp không bình thường, các khe mang mất khả năng đóng lại mà vẫn mở dưới dạng các túi hoặc u nang. Ví dụ, một u nang dạng mang thường là một u lành đầy dịch được tạo thành trong một túi mở bên trong cổ; túi này được hình thành do cung mang thứ ba hoặc thứ tư không đóng lại được. Rất hiếm khi trẻ em được sinh ra với một vết tích thực sự của sụn cung mang cổ xưa. Đó là một que sụn nhỏ đại diện cho một lá mang bắt nguồn từ cung mang thứ ba. Nếu trường hợp này xảy ra, thì các bác sĩ phẫu thuật đồng nghiệp của tôi đang mổ một con cá bên trong mà không may nó quay lại để cắn chúng ta.

Ở giai đoạn đầu, vùng mang đang phát triển của người và cá mập trông giống hệt nhau.

Tất cả cấu trúc đầu động vật từ cá mập tới người đều có bốn cung mang trong quá trình phát triển. Sự phong phú của câu chuyện nằm ở những gì diễn ra bên trong mỗi cung mang, ở đây, chúng ta có thể so sánh từng điểm một giữa đầu của chúng ta với đầu của cá mập.

Hãy nhìn vào cung mang thứ nhất ở người và cá mập, bạn sẽ thấy sự tương đồng rất lớn: bộ hàm. Khác biệt Cơ bản là cung mang thứ nhất ở người cũng tạo nên một số xương tai vốn không thấy có ở cá mập. Đúng như vậy, thần kinh não hỗ trợ cho hàm ở người và cá mập là thần kinh của cung mang đầu tiên, thần kinh sinh ba.

Các tế bào bên trong cung mang thứ hai phân chia, biến đổi và phát triển thành một thanh sụn và cơ. Ở người, thanh sụn tách ra tạo nên một trong ba xương của tai giữa (xương bàn đạp) và một số cấu trúc nhỏ khác ở gốc đầu và cổ họng. Một trong số những xương này gọi là xương móng giúp chúng ra nuốt. Hãy nuốt một cái, nghe nhạc và cảm ơn các cấu trúc được tạo ra từ cung thứ hai của bạn.

Ở cá mập, que ở cung mang thứ hai phân tách để hình thành hai xương hỗ trợ hàm: xương phía dưới tương đương với xương móng của chúng ta và xương phía trên hỗ trợ cho hàm trên. Nếu bạn đã từng quan sát cá mập trắng đớp mồi – ví dụ như một thợ lặn trong lồng – có lẽ bạn sẽ thấy rằng hàm trên của chúng có thể kéo dài và thu lại khi cá mập cắn. Xương phía trên của cung mang thứ hai này là một phần của hệ thống xương đòn bẩy có thể quay tròn giúp hàm cá mập hoạt động được như vậy. Xương phía trên này cũng đáng được quan tâm vì một lý do khác. Nó tương đương với một trong số các xương tai giữa ở người: xương bàn đạp. Các xương hỗ trợ hàm trên và hàm dưới ở cá mập được chúng ta sử dụng để nuốt và nghe.

Đối với cung mang thứ ba và thứ tư, chúng ta thấy có nhiều cấu trúc được dùng khi nói và nuốt, còn ở cá mập chúng là phần mô hỗ trợ cho các mang. Cơ và dây thần kinh não chúng ta dùng để nuốt và nói chuyện được sử dụng để cử động mang ở cá mập và cá xương.

Đầu của chúng ta có thể trông cực kỳ phức tạp nhưng nó được xây dựng nên từ một sơ đồ đơn giản và tinh tế.

Thoạt nhìn, các dây thân kinh não của chúng ta (hình dưới cùng bên phải) có vẻ khác với thần kinh não của cá mập (hình dưới cùng bên trái). Nhưng quan sát kỹ bạn sẽ thấy sự tương đồng sâu sắc. Gần như toàn bộ dây thần kinh của chúng ta đều có ở cá mập. Sự tương đồng còn ở mức độ sâu hơn: các dây thần kinh tương đương ở cá mập và ở người hỗ trợ các cấu trúc tương tự và chúng thậm chí đi ra khỏi não bộ với thứ tự giống hệt nhau (hình trên cùng bên trái và bên phải)

Có một kiểu cấu tạo chung cho tất cả loại sọ trên trái đất cho dù đó là sọ cá mập, cá xương, sa giông hay con người. Phát hiện ra kiểu cấu tạo này là thành tựu to lớn của ngành giải phẫu học thế kỷ 19, thời kỳ mà các nhà giải phẫu học nghiên cứu tỉ mỉ phôi của tất cả các loài. Vào năm 1872, nhà giải phẫu học Francis Maitland Balfour ở Oxford lần đầu tiên tìm ra sơ đồ cơ bản của đầu khi ông quan sát cá mập và thấy các chỗ lồi, cung mang và cấu trúc bên trong. Không may, ông mất ngay sau đó vì một tai nạn trên dãy núi Alp thuộc Thụy Sỹ. Khi đó ông mới ở độ tuổi 30.

CÁC GENE QUY ĐỊNH CUNG MANG

Trong ba tuần đầu sau khi thụ thai, hàng loạt gene được bật và tắt trong các cung mang của chúng ta và trong khắp các mô mà sau này sẽ trở thành bộ não của chúng ta. Những gene này chỉ đạo các tế bào tạo ra các phần khác nhau của đầu. Hãy tưởng tượng mỗi vùng của đầu có một địa chỉ di truyền khiến nó trở nên khác biệt. Thay đổi địa chỉ di truyền này, chúng ta có thể biến đổi các loại cấu trúc phát triển tại đó.

Ví dụ, một gene có tên là Otx hoạt động ở vùng trán, nơi cung mang đầu tiên được tạo thành. Đằng sau nó, về phía sau đầu, có một số gene được gọi là Hox hoạt động. Mỗi cung mang có một bộ gene Hox hoạt động khác nhau. Với thông tin này, chúng ta có thể lập một bản đồ về các cung mang của chúng ta và các nhóm gene tham gia vào quá trình tạo thành từng cung này.

Bây giờ chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm: thay đổi địa chỉ di truyền của một cung mang thành địa chỉ di truyền của một cung mang khác. Hãy lấy phôi ếch, tắt một số gene, tạo tín hiệu di truyền tương tự ở cung mang thứ nhất và cung mang thứ hai, bạn sẽ thu được một con ếch có hàm đôi: một hàm dưới phát triển ở nơi mà xương móng thường khu trú. Thí nghiệm này cho thấy năng lực của các địa chỉ di truyền trong việc tạo ra các cung mang của chúng ta. Thay đổi địa chỉ có nghĩa là bạn thay đổi các cấu trúc trong cung mang. Lợi thế của hướng tiếp cận này là ở chỗ chúng ta có thể thử nghiệm với thiết kế cơ bản của đầu: chúng ta có thể điều khiển đặc tính của các cung mang bằng cách thay đổi hoạt động của các gene bên trong.

ĐI TÌM NGUỒN GỐC CỦA ĐẦU: TỪ CÁC KỲ QUAN KHÔNG ĐẦU TỚI TỔ TIÊN CÓ ĐẦU CỦA CHÚNG TA

Tại sao tôi lại dừng ở ếch và cá mập? Tại sao lại không mở rộng sự so sánh của chúng ta tới các sinh vật khác, như côn trùng hay giun chẳng hạn? Nhưng tại sao chúng ta lại làm công việc này trong khi không có sinh vật nào trong số này có sọ và có rất ít dây thần kinh não? Thậm chí không có loài nào trong số chúng có xương. Khi chúng ta chuyển từ cá sang giun, chúng ta đi vào một thế giới sinh vật không có đầu và rất mềm. Tuy nhiên, bạn sẽ thấy những phần cơ thể của mình ở đó nếu quan sát kỹ.

Trong số chúng tôi, những người giảng dạy giải phẫu học so sánh cho sinh viên đại học thường bắt đầu khóa học bằng một hình chiếu về cá lưỡng tiêm Amphioxus.

Cứ vào tháng 9, hàng trăm hình chiếu về cá lưỡng tiêm Amphioxus lại hiện ra trên màn chiếu ở các giảng đường đại học từ Maine đến California. Tại sao lại như vậy? Bạn có nhớ sự tách biệt đơn giản giữa động vật không xương sống và có xương sống? Cá lưỡng tiêm Amphioxus là một loài giun, một động vật không xương sống, có nhiều đặc điểm chung với động vật có xương sống như cá, lưỡng cư và thú. Cá lưỡng tiêm Amphioxus không có xương sống, nhưng giống như tất cả động vật có xương sống khác, nó có dây thần kinh chạy dọc lưng. Ngoài ra, một que chạy dọc cơ thể, song song với dây thần kinh đó. Que này, được gọi là dây sống, chứa đầy chất giống thạch và có vai trò nâng đỡ cơ thể. Ở giai đoạn phôi, chúng ta cũng có một dây sống nhưng không giống như ở cá lưỡng tiêm Amphioxus, phần này chia nhỏ ra và cuối cùng trở thành một phần của những đĩa đệm nằm giữa các đốt sống của chúng ta. Bị thoát vị đĩa đệm thì chất dạng thạch có nguồn gốc từ dây sống có thể gây ra hậu quả nặng nề khi nó chèn lên dây thần kinh hoặc làm ảnh hưởng tới khả năng chuyển động của đốt sống này với đốt sống tiếp theo. Khi chúng ta bị tổn thương đĩa đệm, một phần có nguồn gốc rất cổ xưa trong sơ đồ cơ thể của chúng ta đã bị phá vỡ. Thật cảm ơn loài cá lưỡng tiêm Amphioxus.

Cá lưỡng tiêm Amphioxus không phải là một loài giun độc nhất. Một số loài điển hình nhất không còn tồn tại trong cấc đại dương ngày nay mà nằm trong các tầng đá cổ ở Trung Quốc và Canada. Bị chôn vùi trong các trầm tích hơn 500 triệu năm là các loài giun cỡ nhỏ không có đầu, không có bộ não phức tạp hay dây thần kinh não. Có thể trông chúng không giống lắm, vì chỉ là những vết mờ nhỏ in trên đá, nhưng những hóa thạch này đuợc bảo quản cực kỳ tốt. Khi bạn nhìn chúng dưới kính hiển vi, bạn sẽ tìm thấy nhũng vết in được bảo quản tuyệt đẹp thể hiện những chi tiết tinh tế của phần giải phẫu mô mềm, đôi khi có cả vết in của lớp da. Chúng cho thấy một thứ khác cũng rất tuyệt vời. Chúng là những sinh vật nguyên thủy nhất có dây sống và dây thần kinh. Những loài giun này đang kể cho chúng ta về nguồn gốc của các cơ quan trong cơ thể con người.

Họ hàng gần nhất với động vật có đầu là các loài giun có khe mang. Trên hình vẽ là loài cá lưỡng tiêm Amphioxus và sơ đồ tái hiện lại loài giun hóa thạch (Haikouella) hơn 530 triệu năm tuổi, cả hai nhóm giun này đều có dây sống, dây thần kinh và các khe mang. Giun hóa thạch được biết tới từ hơn ba trăn mẫu vật thu được ở miền Nam Trung Quốc.

Nhưng chúng ta và những loài giun nhỏ bé này còn có chung một đặc điểm khác: các cung mang. Chang hạn như cá lưỡng tiêm Amphioxus có nhiều cung mang và gắn với mỗi cung mang là một thanh sụn nhỏ. Giống như sụn tạo nên hàm, xương tai và các phần của thanh quản chúng ta, những que này hỗ trợ các khe mang. Bản chất cái đầu của chúng ta bắt nguồn từ các loài giun, những sinh vật thậm chí không có đầu. Cá lưỡng tiêm Amphioxus dùng cung mang để làm gì? Nó bơm nước qua mang để lọc các phân tử thức ăn nhỏ bé. Từ cấu tạo thật giản đơn thuở ban đầu đã ra đời các cấu trúc cơ bản của đầu chúng ta. Giống như răng, gene và chi đã được biến đổi và các chức năng của chúng được xác lập lại theo thời gian, cấu trúc cơ bản của đầu chúng ta cũng từng biến đổi như vậy.