เปิดตัวแผนที่ “สมองแมลงหวี่” ฉบับสมบูรณ์ แสดงเครือข่ายเซลล์ประสาทของสัตว์ละเอียดที่สุดในโลก

เมื่อพูดถึงแมลงหวี่ (Drosophila melanogaster) น้อยคนที่จะทราบว่าพวกมันทำได้ทั้งบินโฉบฉวัดเฉวียนและเดินบนพื้น แมลงหวี่ตัวผู้ยังสามารถร้องเพลงรักเพื่อจีบสาวในช่วงเวลาผสมพันธุ์ ซึ่งความสามารถที่เหลือเชื่อทั้งหมดนี้ มาจากการทำงานของสมองที่มีขนาดเล็กจิ๋วยิ่งกว่าหัวเข็มหมุดเสียอีก

ล่าสุดทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติในโครงการ FlyWire Consortium ซึ่งทำการศึกษาวิจัยสมองของแมลงหวี่โดยละเอียดมานานหลายปี สามารถใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนกำลังขยายสูงและปัญญาประดิษฐ์ (เอไอ) จัดทำแผนที่ฉบับสมบูรณ์ซึ่งระบุถึงตำแหน่งที่ตั้ง รูปร่าง และเครือข่ายการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทในสมองแมลงหวี่ตัวเมีย ที่มีอยู่ทั้งหมด 130,000 เซลล์ กับอีก 50 ล้านการเชื่อมต่อได้สำเร็จ โดยถือเป็นการวิเคราะห์สมองของสัตว์ที่โตเต็มวัยได้อย่างละเอียดที่สุดครั้งแรกของโลก

ผู้เชี่ยวชาญด้านสมองผู้หนึ่งที่ไม่ได้เป็นสมาชิกของทีมวิจัยดังกล่าว บอกว่าการค้นพบครั้งนี้ถือเป็น “การก้าวกระโดดครั้งใหญ่” สำหรับแวดวงวิทยาศาสตร์ที่มุ่งทำความเข้าใจสมองของมนุษย์เราเอง นักวิจัยชั้นแนวหน้าอีกผู้หนึ่งยังบอกว่า แผนที่สมองของแมลงหวี่นี้จะช่วยให้เราเข้าใจ “กลไกความคิด” ในสมองของคนและสัตว์ได้มากขึ้น

ดร.เกรกอรี เจฟเฟอริส จากห้องปฏิบัติการชีววิทยาโมเลกุล (LMB) ของสภาวิจัยทางการแพทย์อังกฤษในเมืองเคมบริดจ์ บอกกับบีบีซีว่า ทุกวันนี้เรายังไม่ทราบชัดว่าเครือข่ายเซลล์ประสาทในสมองของคนเรา ช่วยให้มนุษย์มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมรอบตัวและมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างพวกเดียวกันเองได้อย่างไร

“การเชื่อมต่อในสมองนั้นแท้จริงคืออะไรกันแน่ ? สัญญาณประสาทวิ่งผ่านระบบดังกล่าวเพื่อทำให้เราประมวลผลข้อมูล จนสามารถจดจำใบหน้าของคุณ ได้ยินเสียงที่ผมพูดกับคุณ และเปลี่ยนคำพูดเหล่านั้นให้กลายเป็นสัญญาณไฟฟ้าได้อย่างไร ?” ดร. เจฟเฟอริสกล่าว “การทำแผนที่สมองของแมลงหวี่ออกมานั้นยอดเยี่ยมมากจริง ๆ เพราะมันจะช่วยให้เราเข้าใจได้ในที่สุดว่า สมองมนุษย์ทำงานอย่างไร”

แม้มนุษย์จะมีเซลล์ประสาทในสมองมากกว่าแมลงหวี่นับล้านเท่า แต่แผนที่สมองของสัตว์ตัวเล็กจิ๋ว ซึ่งเพิ่งได้รับการตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการ Nature ได้แสดงภาพการเชื่อมต่อของเครือข่ายเซลล์ประสาทที่สลับซับซ้อนแต่ดูสวยงามแปลกตา โดยโครงสร้างการเชื่อมต่อที่เป็นรูปทรงแบบต่าง ๆ เหล่านี้ สามารถจะเป็นกุญแจไขปริศนาที่ให้คำอธิบายแก่เราได้ว่า อวัยวะขนาดจิ๋วอย่างสมองแมลงหวี่ สามารถจะประมวลผลข้อมูลได้เหมือนกับคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังได้อย่างไร เพราะเทคโนโลยีใหม่ล่าสุดเอง ก็ยังไม่อาจสร้างสมองกลที่เล็กเท่าเมล็ดฝิ่น (ขนาด 1 มิลลิเมตร) ให้มีความสามารถในระดับนั้นได้

ดร. มาลา มูรธี หนึ่งในผู้นำของโครงการ FlyWire Consortium จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันของสหรัฐฯ บอกว่าแผนผังการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทสมองในรูปแบบต่าง ๆ หรือที่เรียกว่า connectome ซึ่งเผยออกมาในครั้งนี้ “จะเป็นสิ่งที่สร้างความเปลี่ยนแปลงให้กับเหล่านักประสาทวิทยาศาสตร์ มันจะช่วยให้นักวิจัยผู้กำลังศึกษาการทำงานของสมองที่มีสุขภาพดี ได้เข้าใจอวัยวะนี้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น ในอนาคตเราหวังว่า จะสามารถใช้มันเปรียบเทียบได้ว่าเกิดอะไรขึ้น เมื่อมีความผิดปกติในสมองของมนุษย์”

ด้านดร.ลูเซีย ปรีโต โกโดโล ผู้นำทีมวิจัยสมองที่สถาบันฟรานซิสคริกในกรุงลอนดอนของสหราชอาณาจักร ซึ่งไม่ได้เข้าร่วมโครงการวิจัยสมองแมลงหวี่ ได้แสดงความเห็นด้วยกับแนวคิดข้างต้นว่า “ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์เคยทำแผนที่ connectome ฉบับสมบูรณ์ กับสมองของหนอนชั้นต่ำที่มีเพียง 300 เซลล์ และกับสมองของหนอนแมลงวันที่มีราว 3,000 เซลล์มาแล้ว แต่ในครั้งนี้ การทำแผนที่ฉบับสมบูรณ์ของสมองแมลงหวี่ที่มีถึง 130,000 เซลล์ ถือเป็นสิ่งมหัศจรรย์ทางเทคโนโลยีที่ปูทางไปสู่การค้นพบ connectome ในสมองของสัตว์ที่ใหญ่ขึ้นอย่างเช่นหนู และในอีกหลายสิบปีข้างหน้า เราอาจทำสิ่งนี้ได้สำเร็จกับสมองของมนุษย์ก็เป็นได้”

ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์สามารถระบุถึงวงจรไฟฟ้าในสมองโดยแยกเป็นส่วน ๆ ซึ่งแต่ละส่วนจะมีบทบาทหน้าที่ต่างกันไป โดยทราบถึงความเชื่อมโยงเกี่ยวข้องในการทำงานร่วมกันเป็นเครือข่ายของวงจรเหล่านี้บ้างเล็กน้อย เช่นวงจรการเชื่อมต่อที่ควบคุมการเคลื่อนไหวจะอยู่ที่ฐานของสมอง แต่วงจรที่ประมวลผลเรื่องการมองเห็นจะอยู่ที่ด้านข้างทั้งสองของศีรษะ โดยมีเซลล์ประสาทเข้ามาเกี่ยวข้องในวงจรนี้เป็นจำนวนมากกว่า เพราะการมองเห็นต้องใช้พลังในการประมวลผลระดับสูงกว่า

อย่างไรก็ตาม แม้นักวิทยาศาสตร์ในปัจจุบันจะมีความรู้เกี่ยวกับวงจรไฟฟ้าในสมองอยู่บ้าง แต่ก็ทราบเพียงกลไกการทำงานภายในของแต่ละส่วนที่แยกกันเป็นเอกเทศเท่านั้น และยังไม่ทราบชัดว่าพวกมันทำงานโดยเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายได้อย่างไร

เหตุใดแมลงหวี่แมลงวันถึงตบได้ยากนัก ?

ก่อนหน้านี้เคยมีนักวิทยาศาสตร์ที่ใช้ประโยชน์จากแผนผังวงจรไฟฟ้าในสมองของแมลงหวี่มาแล้ว โดยพวกเขานำมันไปศึกษาเพิ่มเติมเพื่อให้คำอธิบายว่า เหตุใดสัตว์จำพวกแมลงหวี่แมลงวันที่ชอบบินวนฉวัดเฉวียนไปมารอบตัวหรืออาหารของเรา ถึงตบให้ร่วงได้ยากนัก

คำตอบมีอยู่ว่า วงจรของสัญญาณไฟฟ้าในสมองของพวกมันทำงานได้ว่องไวมาก โดยจะตรวจจับทิศทางของไม้ตบแมลงหรือม้วนกระดาษหนังสือพิมพ์ที่ฟาดลงมา พร้อมกับส่งสัญญาณบอกทิศทางนั้นไปยังขาของแมลงในทันที แต่สิ่งสำคัญที่สุดก็คือ มีการส่งสัญญาณให้ขาแมลงกระโดดไปในทิศทางตรงกันข้ามด้วย โดยสัญญาณนี้จะชัดเจนรุนแรงกว่าและเกิดขึ้นพร้อมกับสัญญาณแรก นั่นหมายความว่า แมลงหวี่แมลงวันสามารถกระโดดหลบไม้หรือมือที่ตบได้โดยไม่ต้องคิด เพราะสัญญาณประสาทดังกล่าวเร็วกว่าความคิดมากนั่นเอง คนเราจึงกลายเป็นสิ่งมีชีวิตที่เงอะงะงุ่มง่าม ไม่สามารถตบแมลงตัวเล็กจิ๋วได้แบบโดนจัง ๆ เสียที

แผนผังการเชื่อมต่อเซลล์ประสาทในสมองของแมลงหวี่นี้ จัดทำขึ้นโดยทีมนักวิจัยที่ใช้อุปกรณ์ตัดเฉือนซึ่งมีความแม่นยำระดับกล้องจุลทรรศน์ แล่สมองขนาดเล็กของมันออกเป็นแผ่นบางเฉียบถึง 7,000 ชิ้น จากนั้นถ่ายภาพของแต่ละชิ้นแล้วแปลงให้เป็นข้อมูลดิจิทัล ก่อนจะนำมาประกอบเข้าด้วยกันใหม่ในคอมพิวเตอร์อีกครั้ง

ทีมนักวิจัยของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันได้ใช้โปรแกรมปัญญาประดิษฐ์หรือเอไอ เข้ามาค้นหารูปทรงของโครงสร้างเครือข่ายการเชื่อมต่อทางประสาทจากข้อมูลภาพเหล่านี้ แต่การทำงานที่ไม่สมบูรณ์ของเอไอ ทำให้ทีมนักวิจัยต้องลงมือแก้ไขความผิดพลาดที่เกิดขึ้นถึง 3 ล้านจุด ด้วยตนเอง

งานดังกล่าวถือว่าหนักและกินเวลายาวนานอย่างยิ่ง แต่ทีมวิจัยยังคงต้องเดินหน้าสู่ขั้นตอนต่อไป นั่นก็คือการให้คำอธิบายว่า การเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทสมองตำแหน่งไหน รูปแบบใด มีบทบาทหน้าที่อะไรบ้าง ซึ่งดร.ฟิลิปป์ ชเลเกล จากห้องปฏิบัติการ LMB ของสหราชอาณาจักร อธิบายว่า

“ข้อมูลเหล่านี้ไม่ต่างจากกูเกิลแมปส์ของสมอง แผนผังการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ ก็เหมือนกับบอกให้เรารู้ว่าสิ่งปลูกสร้างไหนอยู่บนถนนอะไรหรือใกล้กับอาคารใด การให้คำอธิบายต่อเครือข่ายของเซลล์ประสาทเหล่านี้ คือการเติมชื่อเมืองและชื่อถนนลงในแผนที่ พร้อมทั้งระบุข้อมูลของสถานที่ต่าง ๆ เช่นเวลาทำการ เบอร์โทรศัพท์ หรือรีวิวบริการของสถานที่แห่งนั้น มันจำเป็นต้องมีข้อมูลทั้งหมดที่ว่ามา เพื่อให้แผนที่นั้นใช้การได้และเป็นประโยชน์อย่างแท้จริง”

ปัจจุบันแผนที่ของสมองแมลงหวี่อยู่ในรูปของฐานข้อมูลเปิด ที่ให้นักวิทยาศาสตร์จากทั่วโลกเข้าไปชมและดึงไปใช้งานได้ทางออนไลน์ ซึ่งดร.ชเลเกลเชื่อว่า ในอีกไม่ช้าวงการประสาทวิทยาศาสตร์จะต้อง “เกิดการค้นพบมากมายอย่างถล่มทลาย ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า” เพราะแผนที่ฉบับนี้

แต่ถึงกระนั้นก็ตาม สมองมนุษย์นั้นใหญ่กว่าสมองแมลงหวี่มาก และปัจจุบันยังไม่มีเทคโนโลยีที่สามารถทำความเข้าใจการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทในสมองคนเราได้ แต่ทีมวิจัยของโครงการ FlyWire Consortium เชื่อว่าในอีก 30 ปีข้างหน้า อาจจะมีหนทางในการทำแผนที่สมองมนุษย์ฉบับสมบูรณ์ให้สำเร็จ ซึ่งในตอนนี้แผนที่สมองแมลงหวี่ก็ถือเป็นจุดเริ่มต้นที่ดี ในการนำเราสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นต่อเรื่องความคิดจิตใจของมนุษย์