ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

ปฏิบัติการสร้างแผนที่

โครงข่ายสมองสามมิติ (2)

 

โครงการจีโนมมนุษย์ (human genome project) หรือที่หลายคนเรียกเป็นภาษาไทยแบบฟังหรูดูแพงว่า “โครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์” ซึ่งนับเป็นมหาเมกะโปรเจ็กต์แห่งยุคที่นอกจากจะใช้ระยะเวลายาวนานหลายทศวรรษแล้ว ยังใช้ทรัพยากรอีกมากมายมหาศาล ทั้งงบประมาณและนักวิจัยจำนวนนับไม่ถ้วนทั่วโลกกว่าจะเริ่มเป็นรูปเป็นร่างขึ้นมาได้

แน่นอนว่า มีนักการเมืองมากมายตั้งคำถามถึงความคุ้มค่าของโครงการนี้

แต่ด้วยวิสัยทัศน์ของผู้นำประเทศ (สหรัฐอเมริกา) ในยุคนั้น โครงการนี้จึงได้ถือกำเนิดขึ้นมา

ต้องชื่นชมเเนวคิดแบบกัดติดของประเทศผู้นำโลกเหล่านั้นครับ เพราะถ้านโยบายประเทศโอนเอน ตัดงบฯ นี้ไปแปะงบฯ นั้น ตัดงบฯ นั้นไปทำโครงการนู้น โครงการเมกะโปรเจ็กต์ระดับงานช้างแมมมอธที่ใช้ระยะเวลานาน ต้นทุนสูง แต่ได้ผลกำไรเป็นกอบเป็นกำแบบนี้ ก็อาจจะถูกยุบไปกลางคัน จนกลายเป็นแค่หนึ่งเรื่องเศร้าให้เล่าขานกันไปในประวัติศาสตร์ก็เท่านั้น

เพราะแม้จะลงทุนไปเยอะ แต่ผลที่ได้ก็เกินคำว่า “คุ้มค่า” ไปมาก เพราะนอกจากจะสร้างพิมพ์เขียวทางพันธุกรรมที่ทำให้เราเข้าใจถึงกลไกเบื้องลึกเบื้องหลังแทบทุกลักษณะและพฤติกรรมของมนุษย์ที่เป็นองค์ความรู้ที่มีคุณูปการอย่างมหาศาล

โครงการนี้ยังให้กำเนิดนวัตกรรมใหม่ๆ ขึ้นอีกมากมายเกินจะนับ

อีกทั้งยังสร้างกำลังคนคุณภาพด้านงานวิจัยขึ้นมาอีกมากมาย

นวัตกรรมที่ถูกพัฒนาขึ้นมาในระหว่างการทำโครงการนี้ อย่างเทคโนโลยีอณูชีววิทยา การตัดต่อยีน พันธุวิศวกรรม และชีวสารสนเทศนั้นก็ทรงพลังระดับที่ เรียกว่า สามารถพลิกโฉมเทคโนโลยีชีวภาพไปในแบบที่ไม่มีใครจะคาดถึง

ผลพลอยได้อย่างหนึ่งที่มาจากโครงการนี้ก็คือ ราคาในการหาลำดับจีโนมที่ย่อมเยาลง จนการหาลำดับจีโนมของตัวเองกลายเป็นสิ่งที่เข้าถึงได้และจับต้องได้สำหรับคนทั่วๆ ไป

ปัจจุบันมีบริการพวกนี้อยู่มากมาย ไม่แน่ว่าในอนาคตอันใกล้ จ่ายเงินนิดหน่อย เราอาจจะมีข้อมูลจีโนมของตัวเองเก็บไว้ในมือถือ

และเมื่อไปถึงโรงพยาบาลก็แค่เชื่อมต่อมือถือเข้ากับระบบวิเคราะห์ข้อมูลผู้ป่วยของโรงพยาบาล ทำให้ปัญญาประดิษฐ์ สามารถวิเคราะห์ ประเมินความเสี่ยง พยากรณ์โรคที่อาจจะเกิดขึ้นได้ในอนาคต อีกทั้งยังสามารถระบุตัวยาที่เหมาะสมกับตัวเราได้ ช่วยให้แพทย์ทำงานได้เร็วขึ้นอีกด้วย

และด้วยต้นทุนที่ถูกลงอย่างมโหฬารของการหาลำดับสารพันธุกรรม ปัจจุบัน นักวิจัยไม่ได้สนใจแค่ลำดับพันธุกรรมของคนเท่านั้น แต่ขยายไปถึงจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในร่างกายที่เรียกว่าไมโครไบโอตา (microbiota) อีกด้วย ซึ่งการเปรียบเทียบไมโครไบโอตาที่พบในคนสุขภาพดีกับคนที่มีปัญหาสุขภาพอาจจะทำให้เราค้นพบจุลินทรีย์โปรไบโอติกส์สายพันธุ์ใหม่ๆ ที่เป็นประโยชน์ส่งเสริมสุขภาพ และอาจจะสร้างแนวทางใหม่ในการจัดการเชื้อดื้อยาและเชื้อโรคอุบัติใหม่ก็เป็นได้

นอกจากนี้ เทคโนโลยีที่พัฒนาขึ้นมายังเอามาใช้กับการหาลำดับจีโนมของไวรัสอุบัติใหม่ ไวรัสกลายพันธุ์ ช่วยให้เราค้นพบสายพันธุ์กลายใหม่ๆ (variants)

อีกทั้งยังสามารถระบุตำแหน่งการกลายพันธุ์ที่ก่อปัญหาได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวางแผนเฝ้าระวังเเละควบคุมการระบาดของโรค

โครงการศึกษาโครงข่ายสามมิติของสมอง ถือเป็นหนึ่งในภารกิจระดับ holy grail ในทางประสาทวิทยาที่คาดว่าจะสามารถสร้างผลกระทบยิ่งใหญ่ไม่ต่างไปจากโครงการจีโนมมนุษย์

แต่งานนี้หินจริงๆ เพราะต้องเริ่มพัฒนาเทคโนโลยีขึ้นมาใหม่มากมาย ทั้งในเรื่องของการย้อมสีเซลล์ประสาทแต่ละชนิดให้เป็นคนละสีเพื่อจำแนกชนิดของเซลล์ประสาทที่มาเชื่อมต่อกัน ที่เรียกว่าเทคโนโลยีสมองสีรุ้ง (brainbow) ไปจนถึงเทคโนโลยีในการสร้างภาพเซลล์ในสมองทั้งก้อนที่ความละเอียดระดับนาโนจนสามารถมองทะลุเข้าไปเห็นถุงสารสื่อประสาท (synaptic vesicles) แต่ละถุงและออร์แกเนลล์ (organelle-โครงสร้างต่างๆ ภายในเซลล์) ได้ชัดเจน

จินตนาการก็เหมือนใช้กูเกิลเอิร์ธ (google earth) ซูมโลกจากอวกาศจนสามารถมองเห็นหน้าคนแต่ละคนได้อย่างเเจ่มชัด

แต่ที่ยากกว่า คือข้อมูลไม่ได้อยู่แค่บนผิว แต่ต้องเห็นทะลุเข้าไปให้เห็นทุกที่ให้ครอบคลุมได้ทั้งหมด ทั้งใต้ดิน ใต้น้ำทั้งหมด ลึกลงไปจนถึงแกนโลกเลยทีเดียว

 

งานนี้ใช้นักชีววิทยาอย่างเดียวเอาไม่อยู่ ต้องระดมสรรพกำลังจากทุกที่มาร่วมด้วยช่วยกัน ดังที่เล่าให้ฟังกันไปในฉบับก่อนว่านักวิจัยหลายกลุ่มเลือกที่จะมองย้อนกลับไปเริ่มต้นกับสมองที่ไม่ซับซ้อนมากนักของสัตว์ อย่างเช่น หนอนจิ๋ว (nematodes) หรือว่าแมลงหวี่ เป็นต้น เพื่อสร้างเป็นองค์ความรู้พื้นฐานให้เข้าใจกลไกการทำงานของสมองในองค์รวม อีกทั้งจะได้เห็นภาพการเชื่อมต่อของวงจรของเซลล์ประสาทเพื่อได้ออกแบบงานวิจัยต่อยอดเฟสต่อไปกับสมองมนุษย์

แต่ทีมวิจัยของศาสตราจารย์เจฟฟ์ ลิชต์แมน (Jeff Lichtman) จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) หนึ่งในนักวิจัยหัวหอกผู้คิดค้นเทคโนโลยีสมองสีรุ้ง ไม่อยากจะเริ่มที่ตัวเล็กๆ อย่างหนอนจิ๋ว หรือแมลง เขาเริ่มการทดลองที่สมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอย่างหนู ซึ่งถ้าเทียบกับแมลงหวี่แล้ว เป็นอะไรที่ท้าทายมาก

และหลังจากที่เริ่มทดสอบระบบกับหนูมานานหลายปี ทีมของเจฟก็เจอแจ๊กพ็อต

เมื่อผู้ป่วยหญิงวัย 45 ปี เข้าแอดมิดที่โรงพยาบาลแมสซาชูเซตส์เจเนอรัล (Massachusetts General Hospital) ด้วยอาการชักเกร็ง แพทย์วินิจฉัยว่าเธอป่วยด้วยโรคลมชักที่ไม่ตอบสนองต่อยา (drug resistant epilepsy)

ทีมแพทย์ลงความเห็นว่าวิธีการรักษาที่ดีที่สุดคือเธอต้องได้รับการผ่าตัดเพื่อเอาสมองส่วนฮิปโปแคมปัสฝั่งซ้ายที่เป็นต้นเหตุของอาการชักเกร็งของเธอออก

และนั่นคือโอกาสทองของเจฟฟ์ที่จะได้เนื้อเยื่อสมองมนุษย์มาศึกษา

 

ไม่ใช่ว่าแพทย์จะจงใจตัดเนื้อเยื่อของผู้ป่วยเกินเพื่อให้เจฟฟ์มาทดลอง แต่ในการผ่าตัดทั่วไป แม้ว่าศัลยแพทย์จะพยายามผ่าด้วยความประณีตแค่ไหน ก็ยังเลี่ยงไม่ได้ที่อาจจะต้องตัดเอาชิ้นส่วนเนื้อเยื่อปกติที่อยู่ในบริเวณใกล้เคียงส่วนที่มีปัญหาติดออกไปด้วย

และจากการผ่าตัดครั้งนี้ เจฟฟ์ได้ชิ้นเนื้อเยื่อสมองปกติชิ้นเล็กๆ มาเพื่อสร้างแผนที่โครงข่าย (เนื้อเยื่อ) สมองมนุษย์

ชิ้นเนื้อที่เจฟฟ์ศึกษามีขนาดเพียงแค่ราวๆ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตรเท่านั้น

จะว่าไปก็น่าจะใหญ่ประมาณหัวมดตัวเล็กๆ

แต่นั่นก็นับว่าใหญ่แล้วสำหรับการทำโครงสร้างที่ความละเอียดสูงในระดับที่มองเข้าไปเห็นถุงสารสื่อประสาทได้

หลังจากที่โดนตัดออกมา เนื้อเยื่อสมองจะถูกแช่ลงไปในน้ำยารักษาสภาพ (fixative) ในทันที ก่อนที่จะถูกนำไปย้อมด้วยโลหะหนักออสเมี่ยม และฝังลงไปในวัสดุเรซิ่น

สมองฝังเรซิ่นจะถูกแล่สไลด์ให้เป็นแผ่นบางมากๆ มีความหนาเพียงแค่ 30 นาโนเมตร (บางกว่าเส้นผมมนุษย์ราวๆ พันเท่า)

ทุกแผ่นจะถูกนำไปถ่ายภาพความละเอียดสูงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (Scanning Electron Microscope)

หลังจากถ่ายภาพเสร็จ ทีมของเจฟฟ์ก็ประสานให้กับทีมวิจัยของไวเรน เจน (Viren Jain) ที่กูเกิลรีเสิร์ช (Google Research) มารับไม้ต่อ

 

ทีมกูเกิลเอาภาพถ่ายสองมิติความละเอียดสูงที่มาจากสไลด์สมองกว่า 225 ล้านภาพมาประกอบกันเป็นแผนที่สมองสามมิติ (3D brain atlas)

พวกเขาสร้างระบบปัญญาประดิษฐ์ (machine learning) เพื่อวิเคราะห์ขอบเขตของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ และวาดแผนที่วงจรการเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทในเนื้อเยื่อสมองมนุษย์ชิ้นจิ๋วนี้ให้กับพวกเขา

“ข้อมูลที่มีมันใหญ่มาก มากจนเรายังวิเคราะห์ละเอียดไม่ไหว ยังมีอะไรต้องทำอีกเยอะ โครงการนี้ อาจจะไม่ต่างกับโครงการจีโนม ที่ต้องใช้เวลายาวนานนับทศวรรษกว่าจะวิเคราะห์ได้หมด” ไวเรนกล่าว

เพราะในชิ้นเนื้อเยื่อสมองขนาดเท่าหัวมดนี้ มีเซลล์อยู่ราวๆ ห้าหมื่นเซลล์ แต่ละเซลล์เชื่อมโยงกันเป็นโครงข่ายเหมือนใยเเมงมุมสามมิติที่ประกอบขึ้นมาจากสายใยของเซลล์ประสาท (neurite) นับร้อยล้านเส้นและมีถุงสารสื่อประสาทอีกกว่าร้อยสามสิบล้านถุง!

แค่ข้อมูลดิบก็กินพื้นที่ในคอมไปแล้วมากถึง 1.44 เพตะไบต์ (หนึ่งเพตะไบต์ คือหนึ่งพันล้านล้านไบต์ นั่นคือ หนึ่งแล้วตามด้วยศูนย์อีกสิบห้าตัวถ้วน) ถ้าจะเก็บในฮาร์ดดิสก์ทั่วไปขนาด 1 เทระไบต์ก็ต้องใช้ฮาร์ดดิสก์ราวๆ เกือบๆ หนึ่งพันห้าร้อยลูก

“นี่เป็นครั้งแรกที่เราสามารถมองเห็นโครงสร้างจริงๆ ของชิ้นส่วนขนาดใหญ่ที่ตัดมาจากสมองมนุษย์ ได้ชัดเจนและละเอียดขนาดนี้” แคตเทอรีน ดูแลค (Catherine Dulac) นักวิจัยประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ผู้มิมีส่วนร่วมกับงานวิจัยนี้กล่าว เธอให้สัมภาษณ์ว่าอินและตื่นเต้นกับมันมาก แม้จะไม่ได้มีส่วนร่วมอะไรก็ตาม

นี่อาจจะเป็นสิ่งที่พลิกโฉมหน้าการศึกษาทางประสาทวิทยาไปตลอดกาล

 

การทำงานกับข้อมูลระดับนี้ ต้องบอกว่าท้าทายวงการไอทีเป็นอย่างมาก เพราะถือว่ามีขนาดใหญ่โตมโหฬารของจริง อย่าลืมว่าข้อมูลทั้งหมดที่กล่าวนั้น มาจากชิ้นส่วนเล็กๆ ของสมองคน ชิ้นเท่าหัวมด แค่ราวๆ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตรเท่านั้น

ซึ่งถ้าเทียบแล้วก็คือเท่ากับ “หนึ่งวอกเซล (voxel)” ของภาพสมองที่ถ่ายด้วยเทคโนโลยีที่นิยมใช้กันอยู่ในปัจจุบันอย่าง fMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) เท่านั้น-วอกเซล คือหน่วยย่อยของภาพสามมิติ ในภาพสองมิติ จะเรียกว่า พิกเซล (pixel)

“มันเป็นเรื่องน่าตื่นเต้นมากที่ได้เห็นว่าภายใต้ 1 พิกเซล ของ fMRI นั้นมีอะไรซ่อนอยู่” ไวเรนกล่าว

ชิ้นเล็กๆ แค่นี้ก็บอกอะไรได้เยอะแล้ว เกี่ยวกับการเชื่อมต่อโครงข่ายเพื่อส่งกระแสประสาท สำหรับแคตเทอรีน นี่คือของเล่นชิ้นใหม่ที่เธอน่าจะจมอยู่กับมันได้อีกนาน เธอเห็นความแตกต่างอย่างชัดเจนของจำนวนจุดเชื่อมต่อในเซลล์สมองแต่ละชนิด บางเซลล์ก็มีแค่จุดเชื่อมจุดเดียว บางเซลล์มีการเชื่อมโยงส่งกระแสนับสิบ ซึ่งข้อมูลนี้น่าจะช่วยทำให้เราเห็นภาพได้ชัดขึ้นว่าเซลล์แต่ละชนิดในสมองนั้นมีกลไกการส่งกระแสประสาทแตกต่างกันอย่างไร

แต่ประเด็นเรื่องไอทียังเป็นปัญหา เดาว่ากว่าโครงการนี้จะสำเร็จ โปรแกรมเมอร์มือเซียนจากทีมวิจัยเหล่านี้คงจะต้องร่วมกันพัฒนาเทคโนโลยีและอัลกอริธึ่มในการวิเคราะห์ภาพสามมิติแบบบิ๊กดาต้า (big data) ไปอีกเยอะ

เพราะในตอนนี้ ถ้าให้แสดงข้อมูลทั้งหมด ยังไม่วิเคราะห์อะไรซับซ้อน แค่จะหมุนดูโครงสร้างสามมิติของเซลล์ประสาทแต่ละทีที่ความละเอียดสูง อาจจะต้องรอสักห้านาที แล้วจะเห็นภาพเซลล์ประสาทสามมิติค่อยๆ กระดิ๊กๆ ตามมาอย่างช้าๆ แบบภาพสโลโมชั่น งานระดับช้างแมมมอธแบบนี้ ทำวิจัยกันแบบหัวเดียวกระเทียมลีบไปไม่รอด ต้องมาเป็นทีมอเวนเจอร์ถึงจะพอไปไหว

คือน่าจะต้องเล่นใหญ่ระดับเดียวกับการถอดรหัสจีโนมมนุษย์กันเลย ถึงจะเอาอยู่

ต้องรอดูต่อไปว่าอะไรจะเกิดขึ้นบ้าง

 

แต่จะไปถึงขั้นนั้นได้ ต้องไต่ขั้นอนุบาลไปก่อน

เพราะย้ำว่านี่เอามาแค่ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร ชิ้นเท่าขี้ผง ยังวิเคราะห์กันแทบกระอักเลือด ถ้าจะจัดทั้งสมอง ที่โดยเฉลี่ยมีขนาดใหญ่กว่านี้ราวๆ หนึ่งล้านสองแสนเท่า และนับแค่เซลล์ประสาทอย่างเดียว ก็ปาเข้าไปแปดหมื่นหกพันล้านเซลล์ไปแล้ว ไม่นับจุดเชื่อมต่อ จำนวนถุงสารสื่อประสาท และรายละเอียดที่มีมากมายเกินจะจินตนาการไหว เทคโนโลยีใหม่คงต้องมา

แต่อย่างที่บอกไปในฉบับที่แล้ว งานนี้ high risk high return เพราะถ้าเราเข้าใจกระบวนการแห่งการคิด และความจำได้จริง เราอาจจะมีนวัตกรรมใหม่ๆ ที่เปลี่ยนแปลงโลกไปแบบที่ไม่มีใครคาดถึง

ลองจินตนาการ “เอไอ หรือปัญญาประดิษฐ์ เจนใหม่ที่มีความคิดของตัวเอง” หรือ “ยาต้านโรคทางระบบประสาทและการรักษาผู้ป่วยที่บาดเจ็บในสมองที่ปัจจุบันรักษาไม่ได้”

หรือเด็ดกว่านั้น “ยาที่กินแล้วฉลาดขึ้น” หรือ “เทคโนโลยีไซเบอร์เนติกที่แค่ความคิดก็ควบคุมสิ่งของได้” หรือแม้แต่ “การส่งถ่ายข้อมูลและการแบ๊กอัพข้อมูลระหว่างสมองกับระบบคอมพิวเตอร์”

นี่คือความฝันที่อาจจะกลายเป็นความจริง ถ้าโปรเจ็กต์นี้สำเร็จอย่างสวยงามเเละได้รับการเก็บเกี่ยวเอามาใช้อย่างเหมาะสม

แต่ตอนนี้คงต้องค่อยๆ ก้าวเตาะแตะต่อไปก่อน…

 

โครงการจีโนมคือตัวอย่างโครงการเมกะโปรเจ็กต์ที่ดีที่สำเร็จและพลิกโฉม technology landscape ของโลกไปแบบก้าวกระโดด

อย่างที่ยี่สิบปีก่อน ไม่มีใครจะจินตนาการได้ ถ้าผู้นำประเทศมีวิสัยทัศน์และพร้อมสนับสนุนงบประมาณให้กับโครงการเมกะโปรเจ็กต์ระยะยาวแบบ “คิดใหญ่ ไม่คิดเล็ก” ให้กับทีมผู้เชี่ยวชาญเฉพาะทางจากมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยที่เต็มไปด้วยแรงบันดาลใจที่พร้อมทุ่มเทให้กับงานวิจัย อีกทั้งยังมีภาคเอกชนที่พร้อมจะยื่นมือเข้ามาช่วยผลักดัน

พลังแห่งความร่วมมือกันช่างน่าอัศจรรย์

ผมเชื่อเหลือเกินว่าโปรเจ็กต์แห่งความฝันนี้น่าจะเป็นจริงได้ในไม่ช้า