นักวิจัยพบสมองหนูจดจำแม่น เพราะแยกจัดการความทรงจำเก่า-ใหม่ ในต่างช่วงการนอนหลับ

ความทรงจำคืออะไร ? สมองคนเราสามารถจุความทรงจำได้มากน้อยเท่าไหร่กันแน่ ? ในเวลาที่เราหลงลืม นั่นคือการที่สมอง "เขียนทับ" ข้อมูลความทรงจำเก่าที่มีในหัวอยู่แล้ว ด้วยข้อมูลใหม่ที่เราเพิ่งจะได้เรียนรู้จริงหรือไม่ ?

คำถามเหล่านี้ไม่ใช่เรื่องไกลตัว เพราะขนาดตัวการ์ตูนยอดนิยมทางโทรทัศน์ของชาวอเมริกันอย่างโฮเมอร์ ซิมป์สัน จากซีรีส์ดัง The Simpsons ยังเชื่อในเรื่องการเขียนทับข้อมูลของสมองด้วย "ทุกครั้งที่ผมเรียนรู้อะไรใหม่ ๆ มันจะผลักเอาของเก่าออกจากหัวสมองไปจนหมด" โฮเมอร์บอกกับมาร์จผู้ภรรยาในตอนหนึ่งของซีรีส์ "จำได้ไหมตอนที่ผมไปเรียนหลักสูตรการทำไวน์เองที่บ้าน แล้วผมก็ลืมวิธีขับรถไปเลย"

ปรากฏการณ์เช่นนี้เกิดขึ้นได้บ่อยครั้งกว่าที่คิดในโลกของความเป็นจริง โดยมีชื่อเรียกว่า "การหลงลืมแบบพังพินาศ" (catastrophic forgetting) ซึ่งเกิดจากกระบวนการก่อตัวของชุดข้อมูลใหม่ ไปก่อกวนแทรกแซงสร้างความเสียหายอย่างรุนแรง หรือลบข้อมูลความทรงจำเก่าที่มีอยู่ก่อนหน้านั้นไปจนหมด

นอกจากสมองคนแล้ว ปรากฏการณ์ที่ว่านี้ยังสามารถพบได้ในสมองกลหรือเครือข่ายประสาทดิจิทัล ซึ่งเป็นพื้นฐานของปัญญาประดิษฐ์หรือเอไอ (AI) ได้ด้วย เนื่องจากเอไอถูกสร้างขึ้นโดยเลียนแบบกลไกการทำงานของสมองมนุษย์ ในบางครั้งจึงประสบปัญหาเรื่องการรับข้อมูลชุดใหม่เข้ามาในกระบวนการเรียนรู้ของตัวมันเองเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วสมองมนุษย์จะทำได้ดีกว่าเอไอ ในเรื่องการรับข้อมูลใหม่เข้าหัวโดยไม่เกิดอาการได้หน้าลืมหลัง ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถอธิบายถึงสาเหตุที่ทำให้เป็นเช่นนั้น

เพื่อทำความเข้าใจอย่างลึกซึ้งในประเด็นข้างต้น มหาวิทยาลัยคอร์เนลของสหรัฐฯ จึงริเริ่มโครงการศึกษาวิจัยเกี่ยวกับวิธีสร้างความทรงจำของสมอง จนล่าสุดทีมวิจัยดังกล่าวประกาศว่า ผลการศึกษาทดลองกับสมองของหนูในขณะที่มันยังหลับสนิท ได้นำไปสู่การค้นพบความรู้ใหม่ ที่ไม่เพียงแต่จะช่วยในการพัฒนาเอไอเท่านั้น ยังอาจจะประยุกต์ใช้ในการรักษาโรคสมองเสื่อมอย่างอัลไซเมอร์ได้อีกด้วย

ดวงตาคือหน้าต่างที่เปิดสู่สมอง

ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัยคอร์เนล เพิ่งจะตีพิมพ์เผยแพร่ผลการศึกษาข้างต้นลงในวารสาร Nature ฉบับเดือนมกราคมที่ผ่านมา โดยพวกเขาพบว่าหนูทดลองมีความทรงจำดี ไม่เกิดอาการได้หน้าลืมหลังเพราะสมอง "เขียนทับ" ข้อมูลความทรงจำเก่าด้วยสิ่งที่เรียนรู้ใหม่ เนื่องจากสมองได้แยกจัดการความทรงจำแต่ละชุดในช่วงการนอนหลับที่ต่างกัน ทำให้ข้อมูลทั้งเก่าและใหม่ไม่แทรกแซงรบกวนกันจนเกิดความเสียหาย

ดร.อาซาฮารา โอลิวา ผู้นำทีมวิจัยบอกกับบีบีซีว่า "นี่เป็นครั้งแรกที่เรารู้ได้โดยละเอียด ชนิดที่เจาะจงลงไปในแต่ละช่วงเวลาได้ว่า ความทรงจำแบบไหนกำลังก่อตัวขึ้นในสมอง ผ่านการสังเกตความเคลื่อนไหวเปลี่ยนแปลงของดวงตา ขณะที่หนูทดลองกำลังหลับ"

หนูเป็นสัตว์ที่เหมาะกับการทดลองประเภทนี้อย่างยิ่ง เพราะในบางช่วงที่มันนอนหลับอยู่ ดวงตาจะปิดไม่สนิทและกลายเป็นหน้าต่างที่เปิดให้นักวิจัยส่องเข้าไปดูการทำงานของสมองได้ โดยในตอนที่หนูเริ่มผล็อยหลับ รูม่านตาของมันจะหดตัวเล็กลงซ้ำแล้วซ้ำอีกเป็นจังหวะราวหนึ่งนาที ก่อนจะกลับมาขยายใหญ่ขึ้นจนคืนสู่ขนาดเดิมอีกครั้ง

ดร.โอลิวาอธิบายถึงความเคลื่อนไหวในดวงตาของหนูว่า เมื่อรูม่านตาของหนูหดตัวในระหว่างการนอนหลับช่วงแรก สมองจะประมวลผลเพื่อรับเอาข้อมูลชุดใหม่เข้ามา ส่วนในตอนที่รูม่านตากลับมาขยายใหญ่ขึ้นระหว่างการนอนหลับช่วงหลัง สมองจะเปลี่ยนมาจัดการรักษาความทรงจำเก่าที่มีอยู่แล้วก่อนหน้านั้น "ระบบจัดการความทรงจำสองระยะนี้ อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาของสมอง ที่ทำให้รับข้อมูลใหม่ได้โดยไม่สร้างความเสียหายแก่ข้อมูลเก่า"

หนูทดลองที่ถูกดัดแปลงพันธุกรรม

ในการทดลองครั้งนี้ ทีมผู้วิจัยเลือกใช้หนูสีน้ำตาลที่เชื่อว่ามีสติปัญญาในระดับสูงกว่าหนูขาว โดยหนูสีน้ำตาลดังกล่าวจะถูกดัดแปลงพันธุกรรม ให้เซลล์ประสาทในสมองตอบสนองต่อการกระตุ้นด้วยแสง

ดร.อันโตนิโอ เฟอร์นันเดซ รูอิซ หนึ่งในสมาชิกทีมวิจัย บอกว่าหนูที่ผ่านการดัดแปลงพันธุกรรม จะมีการแสดงออกของโปรตีนเทียมชนิดหนึ่งในเซลล์สมอง ซึ่งดร.ชาง หงยู่ สมาชิกทีมวิจัยอีกผู้หนึ่งกล่าวเสริมว่า "เมื่อเราใส่ใยแก้วนำแสงเข้าไปในสมองหนู แสงริบหรี่เพียงเล็กน้อยก็จะสามารถกระตุ้น ให้เซลล์ประสาทในสมองส่งสัญญาณไฟฟ้าได้ตามที่เราต้องการ โดยเราสามารถสั่งบังคับอย่างเฉพาะเจาะจง ให้เซลล์ในส่วนไหนของสมองทำงานก็ได้ ซึ่งการทำเช่นนี้คือการสั่งกระตุ้นหรือยับยั้งกระบวนการสร้างความทรงจำในสมองโดยตรง"

หนูทดลองจะมีอุปกรณ์คล้ายหมวกครอบหัว ซึ่งจะช่วยให้นักวิจัยสังเกตรูม่านตาของมันได้ผ่านกล้องและกระจก เพื่อทราบถึงระยะการนอนหลับของมัน อุปกรณ์นี้ยังมีขั้วไฟฟ้าที่ต่อตรงเข้าไปในสมองหนูด้วย เพื่อให้นักวิจัยสังเกตการทำงานของสมอง รวมทั้งสั่งกระตุ้นหรือยับยั้งกระบวนการสร้างความทรงจำได้

นักวิจัยสามารถแยกแยะความเคลื่อนไหวในสมองของหนูทดลองได้ว่า ความเคลื่อนไหวในรูปแบบใดเป็นการก่อตัวของความทรงจำเก่าหรือความทรงจำใหม่ ด้วยวิธีทำแผนที่รูปแบบการส่งสัญญาณประสาทเอาไว้ล่วงหน้า ในขณะที่หนูทดลองเกิดการเรียนรู้หรือมีประสบการณ์ในเรื่องต่าง ๆ ซึ่งหากสมองของมันเกิดการส่งสัญญาณประสาทในรูปแบบเดิมอีกครั้งขณะหลับ นั่นหมายความว่าสมองมีการทบทวนเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นก่อนหน้า และเริ่มบันทึกข้อมูลดังกล่าวลงไปในความทรงจำ

ดร.ชาง อธิบายเพิ่มเติมว่า "เวลาที่ผมเดินไปรอบห้อง เซลล์ประสาทในสมองบางส่วนจะยิงส่งสัญญาณไฟฟ้าในรูปแบบหรือลำดับเฉพาะ ซึ่งในตอนกลางคืนขณะหลับ เซลล์ดังกล่าวจะทำงานในรูปแบบเดิมอีกครั้ง เพื่อสร้างความทรงจำที่แจ่มชัดและคงทนถาวรขึ้นมา"

วิธีลบความทรงจำของหนูทดลอง

ดร.ถัง เหวินป๋อ สมาชิกทีมวิจัยอีกผู้หนึ่งบอกว่า "เราจับหนูใส่ในเขาวงกตซึ่งตั้งอยู่บนเขียงไม้ทรงกลม เขาวงกตนั้นมีรูจำนวนมาก แต่จะมีรูหนึ่งที่ซ่อนรางวัลใหญ่ซึ่งก็คือน้ำตาลเอาไว้ ในระหว่างที่หนูเรียนรู้เส้นทางที่ถูกต้องซึ่งจะพามันไปพบน้ำตาล นักวิจัยจะบันทึกรูปแบบการส่งสัญญาณประสาทของสมองในขณะนั้นเอาไว้"

นักวิจัยให้หนูได้เรียนรู้เส้นทางไปสู่น้ำตาลทั้งหมด 2 สายด้วยกัน เพื่อให้เกิดความทรงจำเก่าและความทรงจำใหม่ จากการเรียนรู้เส้นทางแต่ละสายในเวลาที่แตกต่างกัน

เมื่อมีการทดลองใช้แสงยับยั้งเซลล์ประสาทในสมองหนู เพื่อขัดขวางกระบวนการสร้างความทรงจำใหม่ ในตอนที่รูม่านตาของมันหดตัวขณะหลับช่วงแรก นักวิจัยพบว่าหนูที่เพิ่งเรียนรู้เส้นทางค้นหาน้ำตาลสายใหม่ไปก่อนเข้านอน ไม่อาจจดจำข้อมูลชุดใหม่ที่เพิ่งเรียนรู้ไปได้ตอนตื่นขึ้น จนล้มเหลวในการทำภารกิจอย่างสิ้นเชิง

อย่างไรก็ตาม เมื่อทดลองรบกวนกระบวนการสร้างความทรงจำใหม่ ในตอนที่รูม่านตาของหนูขยายตัวใหญ่ขึ้นอีกครั้ง นักวิจัยพบว่าหลังตื่นนอนหนูยังจำเส้นทางไปสู่น้ำตาลได้เป็นอย่างดี ซึ่งแสดงว่ากระบวนการก่อตัวและสร้างความทรงจำใหม่ ดำเนินไปตามปกติโดยไม่ได้ถูกขัดขวาง

เมื่อตรวจสอบกิจกรรมทางไฟฟ้าภายในสมอง นักวิจัยพบว่าเซลล์ประสาทเกิดการส่งสัญญาณไฟฟ้าในรูปแบบเดิม เหมือนกับตอนที่เรียนรู้เส้นทางสายใหม่ไปสู่น้ำตาล ในขณะที่รูม่านตาหดตัวเล็กลงระหว่างช่วงแรกของการนอนหลับ ซึ่งแสดงว่ามีการสร้างและบันทึกความทรงจำใหม่ในช่วงเวลาดังกล่าว

ส่วนในตอนที่รูม่านตาขยายใหญ่ขึ้นในภายหลัง สมองหนูจะทำงานในอีกรูปแบบหนึ่ง โดยนักวิจัยคาดว่ามันกำลังเสริมสร้างและรักษาความทรงจำเก่าให้คงสภาพเดิม ไม่ถูกเขียนทับจนลบเลือนหายไปแม้จะมีความทรงจำใหม่เข้ามา

การค้นพบนี้ทำให้ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัยคอร์เนลสรุปได้ว่า สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างเช่นหนู สามารถจะแยกประมวลผลในต่างช่วงเวลา เพื่อสร้างความทรงจำใหม่และเก็บรักษาความทรงจำเก่าได้ โดยไม่ทำให้ความทรงจำทั้งสองชุดรบกวนกันหรือสร้างความเสียหายให้แก่กัน

ประโยชน์ต่อเอไอ, อัลไซเมอร์, และบาดแผลทางใจ

แม้การทดลองนี้จะทำกับสัตว์เล็กอย่างหนูสีน้ำตาล แต่ทีมผู้วิจัยเชื่อว่า ผลการศึกษาที่ได้น่าจะมีความเชื่อมโยงเกี่ยวข้องและนำมาประยุกต์ใช้กับมนุษย์ได้ไม่มากก็น้อย เนื่องจากเป็นสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเหมือนกันและมีความคล้ายคลึงทางพันธุกรรมในระดับสูง ทั้งยังมีกระบวนการทางชีววิทยาต่าง ๆ และความท้าทายในเรื่องของสภาพแวดล้อมที่แทบจะไม่ต่างกันด้วย

ดร.รูอิซมองว่า หากเราทำให้สมองไม่สับสนระหว่างความทรงจำเก่าและใหม่ได้สำเร็จ เราอาจจะรักษาโรคได้หลายชนิด "เราคิดว่าความสับสนในเรื่องของความทรงจำนี้ เป็นสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อคนเราแก่ตัวลงตามธรรมชาติ และอาจเกิดขึ้นกับผู้ป่วยที่ประสาทและสมองเสื่อม อย่างเช่นผู้ป่วยโรคอัลไซเมอร์ด้วย"

ดร.โอลิวากล่าวเสริมว่า "ผลการศึกษานี้ยังเป็นประโยชน์ต่อผู้ที่ต้องการลบความทรงจำ เช่นคนที่เจ็บป่วยทางใจจากความทรงจำอันเลวร้าย หรือผู้ที่ทุกข์ทรมานจากภาวะผิดปกติเพราะความเครียดหลังเผชิญเหตุสะเทือนใจ (พีทีเอสดี) ในอนาคตเราอาจมีวิธีแทรกแซงกระบวนการรักษาความทรงจำเก่า ในตอนที่ผู้ป่วยนอนหลับอยู่ได้"

ด้านดร.ถัง กล่าวถึงประโยชน์ของผลการศึกษานี้ต่อการพัฒนาเอไอว่า "เมื่อเราสั่งให้เอไอทำงานอย่างใดอย่างหนึ่ง แม้มันจะสามารถทำได้ดีกว่ามนุษย์หลายเท่าก็ตาม แต่หากเราสั่งให้เอไอทำงานหลายชิ้น ปัญหายุ่งยากก็มักจะเกิดขึ้นตามมา"

"ตัวอย่างเช่นการฝึกให้เครือข่ายประสาทเทียมใหม่จดจำภาพแมว มันจะทำได้ดีอย่างเหลือเชื่อ แต่หากเราต้องการเปลี่ยนให้มันฝึกจดจำภาพหมาเป็นสิ่งต่อไป เรากลับต้องฝึกให้มันเรียนรู้ใหม่ทั้งหมดอีกครั้ง ผลที่ได้ก็คือมันจดจำภาพหมาได้แต่หลงลืมแมวไปอย่างสิ้นเชิง ดังนั้นเราอาจจะใช้ความรู้ใหม่ล่าสุดจากการทดลองครั้งนี้ มาปรับปรุงให้เอไอเรียนรู้สิ่งใหม่ได้เร็วขึ้นโดยไม่ลืมของเก่า"

ดร.ถังยังสรุปทิ้งท้ายว่า "หากจะกล่าวโดยรวบยอดแล้ว ผลการศึกษานี้ได้เผยให้เราเห็นถึงความสำคัญของการนอนหลับ ซึ่งเป็นหนทางที่ดีที่สุดในการรักษาความทรงจำ ทั้งยังช่วยรักษาสุขภาพกายและจิตของคนเราด้วย"