ทะลุกรอบ

ป๋วย อุ่นใจ

 

ปฏิบัติการสร้างแผนที่โครงข่าย

สมองสามมิติ (1)

 

เทคนิคสมองสีรุ้ง “เบรนโบว์ (Brainbow)” ล้อกันไปกับคำว่า “เรนโบว์ (Rainbow)” ที่แปลว่ารุ้งนั้น ถูกคิดขึ้นมาโดยนักวิจัยสองคนคือ ศาสตราจารย์เจฟฟ์ ลิชต์แมน (Jeff Lichtman) และด๊อกเตอร์โจชัวร์ เซนส์ (Joshua Sanes) จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) ด้วยความคาดหวังที่อยากจะสร้างแผนที่สมองให้สำเร็จ

เวลาที่เซลล์สมองแต่ละชนิดถูกแต่งแต้มเติมสีเป็นสีต่างๆ สมองจะกลายเป็นสีรุ้งสดใส และภาพถ่ายของเนื้อเยื่อสมองก็จะดูเหมือนภาพแอ็บสแทร็กที่บรรจงวาดขึ้นมาจากจิตรกรฝีมือเอก

และถ้าบอกผมว่า ภาพเนื้อเยื่อสมองหนูสีรุ้งตรงหน้านั้น เป็นภาพจากคอลเล็กชั่นใหม่ของศิลปินระดับแจ๊กสัน พอลลอกก์ (Jackson Pollock) ผมก็คงเชื่อสนิทใจ

การย้อมสีเซลล์สมองแต่ละชนิดให้เป็นคนละสี ช่วยให้นักวิจัยสามารถเห็นภาพการเชื่อมโยงของเซลล์ต่างๆ ในสมองและเริ่มเข้าใจกลไกการทำงานของสมองมากยิ่งขึ้น

ทว่าการที่จะทำแผนที่สมองมนุษย์ที่มีความละเอียดมากพอที่จะบ่งบอกถึงกลไกของการสื่อประสาทและการวางโครงข่ายเซลล์สมองได้อย่างถ่องแท้นั้น ไม่ใช่โปรเจ็กต์ระดับธรรมดาสามัญ

แต่เป็นโครงการระดับอภิมหาเมกะโปรเจ็กต์เทียบได้ไม่ต่างกับโครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์ที่ต้องใช้เวลาหลายสิบปีกว่าที่จะสำเร็จ

 

อภิมหาเมกะโปรเจ็กต์แบบนี้ ส่วนใหญ่มักจะสลายตัวหายไป ถ้าสายป่านแห่งการสนับสนุนไม่ยาวมากพอ เพราะเมื่อนโยบายเปลี่ยน งบประมาณก็อาจจะถูกโยกไปทำอย่างอื่นแทน

แต่ถ้าสำเร็จขึ้นมา ต้องบอกว่าเป็นเรื่อง เพราะโครงการจำพวกนี้ High Risk High Return

ต่อให้ไม่นับองค์ความรู้ที่ได้มาอย่างเกินจินตนาการ และจำนวนผู้เชี่ยวชาญที่จะเกิดขึ้นในการทำโครงการเหล่านี้ ผลกระทบทางเศรษฐกิจและสังคมก็มักจะแรงไม่แพ้กัน และมักจะเห็นเป็นรูปธรรมได้ชัดเจน

ยกตัวอย่างเช่น ผลผลิตจากโครงการถอดรหัสพันธุกรรมมนุษย์และจุลินทรีย์ ก่อให้เกิดการแพทย์แม่นยำ (Precision Medicine) ที่ในเวลานี้กำลังปฏิรูปแนวทางการแพทย์และสาธารณสุขไปจากหน้ามือเป็นหลังมือ ธุรกิจไบโอเทคและฟาร์มาระดับมูลค่าหลายล้านล้านเหรียญสหรัฐที่พัฒนาขึ้นมาจากเทคโนโลยีชีววิทยาสังเคราะห์ (Synthetic Biology) การออกแบบทางชีวภาพ (Biodesign) และอีกสารพัดการประยุกต์ใช้อื่นๆ อีกมากมาย

แน่นอนว่าผลงานของเจฟ ดูน่าตื่นเต้น ฟังเหมือนแค่โยงสีคนละสีเข้าด้วยกัน แต่การทำความเข้าใจถึงการเชื่อมโยงและกลไกการสื่อประสาทของเซลล์ประสาทในสมองให้ถ่องแท้นั้นไม่ใช่เรื่องธรรมดา

เพราะการเชื่อมต่อกันของสมองมนุษย์นั้นซับซ้อนกว่าที่หลายคนคาดคิดไว้มากนัก

ที่จริงความพยายามที่จะสร้างแผนที่โครงข่ายของสมองนั้นมีมานานแล้ว ในช่วงทศวรรษที่ 1970 ศาสตราจารย์ซิดนีย์ เบรนเนอร์ (Sydney Brenner) (นักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล) ได้ทดลองเอาหนอนจิ๋ว (Caenorhabditis elegans) มาฝังลงในเรซิ่น ย้อมสีโลหะหนักแล้วเฉือนให้เป็นแผ่นบางราวกับสไลด์เบคอน แล้วเอาไปส่องภายใต้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ด้วยความหวังที่จะทำแผนที่ระบบประสาทที่สมบูรณ์ของหนอนน้อยดุ๊กดิ๊ก

“หนอนจิ๋ว” ถือเป็นหนึ่งในสัตว์ทดลองที่คนให้ความสนใจศึกษาการเชื่อมต่อกันของเซลล์ในระบบประสาทที่เรียกว่า คอนเน็กโตม (Connectome) เพราะว่ามันตัวเล็ก อายุสั้น ตัวใสทำให้เห็นอวัยวะภายในได้

และที่สำคัญ ทั้งเนื้อทั้งตัวมีเซลล์ประสาทอยู่แค่ 302 เซลล์ ซึ่งถ้าสามารถทำความเข้าใจการเชื่อมต่อของโครงข่ายเซลล์ประสาทของพวกมันและเชื่อมโยงกับพฤติกรรมต่างๆ ที่มันแสดงออกมาได้ เราก็อาจจะเข้าใจการทำงานของกระบวนการคิด กลไกการสื่อกระแสประสาท และการแสดงออกของพฤติกรรมได้

ซิดนีย์ไม่ได้ต้องการจะควบคุมความคิดและพฤติกรรมของหนอน แต่เขาอยากใช้หนอนเพื่อเป็นต้นแบบในการศึกษาอณูชีววิทยาของระบบประสาท

ซิดนีย์ได้ตีพิมพ์ดราฟแผนที่ของเขาในปี 1986 แผนที่ระบบประสาทหนอนจิ๋วของเขาได้กลายมาเป็นแรงบันดาลใจให้นักประสาทวิทยา (Neuroscience) และนักชีววิทยาพัฒนาการ (Developmental Biology) หลายๆ คนให้ความสนใจและเริ่มศึกษาหนอนจิ๋วอย่างจริงจัง จนทำให้หนอนจิ๋วกลายเป็นโมเดลสัตว์ทดลองที่โดนศึกษาจนทะลุปรุโปร่ง

และทำให้ซิดนีย์ได้รับรางวัลโนเบลไปในปี 2002

 

แผนที่สมองของเจ้าหนอนจิ๋วถูกอัพเดทมาเรื่อยๆ และถูกศึกษาตีความมาอย่างละเอียด ในปี 2014 โปรเจ็กต์ OpenWorm ถูกก่อตั้งขึ้นมาเพื่อสร้างแผนที่คอนเน็กโตมที่สมบูรณ์ของหนอนจิ๋วให้ได้ และต้องรู้ให้ได้ว่าเซลล์ประสาททั้ง 302 เซลล์ในหนอนนั้น เซลล์ไหนทำอะไร

ในโปรเจ็กต์นี้ นักวิจัยสร้างสมองจำลองของหนอนจิ๋วโดยการเขียนโปรแกรมให้ทำงานแทนเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ และจำลองแบบการส่งกระแสประสาทของมัน เพื่อควบคุมการทำงานของหุ่นยนต์เลโก้ที่มีโซนาร์ทำหน้าที่แทนจมูก

ซึ่งแม้ว่านักวิจัยจะไม่ได้ใช้คำสั่งพิเศษเพิ่มเติมลงไป กลับพบว่า เมื่อลองปล่อยให้เจ้าหุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปมาอย่างอิสระตามที่สมองจำลองจะสั่งการ ปรากฏว่า แม้มันจะมีหน้าตาที่เหมือนกล่อง แต่หุ่นยนต์เลโก้กลับสามารถเคลื่อนที่ไปมาได้ราวกับหนอนจิ๋วที่มีชีวิต

ยิ่งไปกว่านั้น ความเข้าใจถึงกลไกการควบคุมพฤติกรรมผ่านสมองของหนอนจิ๋วอย่างถ่องแท้ช่วยให้นักวิจัยจากสถาบันซอล์ก (Salk Institute) สามารถควบคุมและปรับเปลี่ยนพฤติกรรมของหนอน (Sonogenetics) โดยการควบคุมการส่งสัญญาณประสาทด้วยคลื่นอัลตราซาวด์ได้อีกด้วย

ในขณะเดียวกัน นักวิจัยอีกหลายกลุ่มเริ่มสนใจพัฒนาแนวทางการหาคอนเน็กโตมของสัตว์อื่นที่มีพัฒนาการมากกว่าหนอน เช่น สมองหนู สมองแมลงหวี่ เป็นต้น

ในปี 2011 ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแห่งชาติชิงหัวในไต้หวัน (National Tsing Hua University, Taiwan) ได้ประกอบร่างโครงสร้างสามมิติของสมองแมลงหวี่ได้สำเร็จ และสามารถบอกได้ว่าเซลล์แต่ละชนิดในสมองนั้นเชื่อมต่อกันแบบใด พวกเขาสร้างโมเดลการนำส่งข้อมูลในสมองขึ้นมา พบว่า เซลล์ประสาทในสมองแมลงหวี่จะมารวมเป็นหน่วยประมวลผลในจุดต่างๆ (Local Processing Unit) 41 จุด มีฮับในการส่งสัญญาณ (Hub) 6 ที่ และมีเส้นทางการเชื่อมโยงหลัก (Tract) อยู่ถึง 58 เส้นทาง

การมองระบบประสาทได้ในระดับเซลล์นี้ แม้จะให้ข้อมูลอะไรได้มากโข แต่การจะทำความเข้าใจสมองให้ได้อย่างถ่องแท้ จำเป็นต้องศึกษาให้ลึกลงไปถึงระดับโมเลกุล

ในปี 2018 ด๊อกเตอร์เดวิ บ๊อก (Davi Bock) และทีมวิจัยจากหน่วยวิจัยจานีเลียฟาร์ม สถาบันวิจัยการแพทย์ฮาวเวิร์ด ฮิวจ์ (Janelia Farm Research Campus, Howard Hughes Medical Institute) ในเวอร์จิเนียได้ตีพิมพ์ผลงานภาพสามมิติความละเอียดสูงของสมองแมลงหวี่ในวารสารเซลล์ (Cell Journal)

แผนที่ของเดวิมีความละเอียดสูงถึงขนาดที่บ่งบอกรูปร่างและขอบเขตเซลล์ได้อย่างชัดเจนไม่มีข้อกังขา และยังสามารถบอกตำแหน่งเส้นใยประสาทที่เชื่อมเซลล์แต่ละเซลล์เข้าด้วยกันเป็นเน็ตเวิร์กได้อย่างแม่นยำ แต่เนื่องจากข้อมูลมีขนาดใหญ่และซับซ้อนมาก ทำให้การแปลผลข้อมูลจากแผนที่นั้นยากเย็นและหนักหนาเกินกว่าที่มนุษย์จะทำได้

งานนี้ดูจะหนักเกินกำลังที่นักวิจัยของจานีเลียจะทำเองได้ ทีมวิจัยของจานีเลียจึงตัดสินใจจับมือร่วมงานกับทีมโปรแกรมเมอร์ของกูเกิลเพื่อพัฒนาซอฟต์แวร์และเอไอ (Artificial Intelligence) ที่จะช่วยอ่านและแปลผลโครงสร้างสุดซับซ้อนของสมองแมลงหวี่ ซึ่งมีอยู่ราวๆ แสนกว่าเซลล์เท่านั้น

 

ทีม FlyEM หนึ่งในทีมวิจัยของจานีเลียโฟกัสไปที่สมองส่วนกลางของแมลงหวี่ที่เรียกว่า Hemibrain ซึ่งประกอบไปด้วยเซลล์ประสาทราวๆ 25,000 เซลล์ พวกเขาฝังสมองแมลงหวี่ที่ผ่านการรักษาสภาพแล้วลงไปในวัสดุเรซิ่นหั่นจนเป็นชิ้นเล็กจิ๋ว ก่อนจะเอาไปส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ที่มีความละเอียดในระดับ 8 x 8 x 8 นาโนเมตร ซึ่งที่ความละเอียดระดับนี้ นักวิจัยจะสามารถเห็นออร์แกเนลล์ที่เป็นองค์ประกอบภายในเซลล์ทุกอย่าง รวมถึงถุงใส่สารสื่อประสาท (Synaptic Vesicle) จักรกลอณูที่เซลล์ใช้ในการสร้างโปรตีน ไรโบโซม (Ribosome) ไปจนถึงโครงสร้างค้ำจุนของเซลล์ที่เรียกว่า ไมโครทิวบูล (Microtubule) อีกด้วย

นั่นหมายความว่า นักวิจัยจะสามารถบอกได้ทั้งหมดว่า เซลล์ประสาทแต่ละเซลล์กำลังทำอะไรอยู่ เซลล์ไหนกำลังส่งสัญญาณหาเซลล์ไหนและแต่ละเซลล์เชื่อมต่อกันอย่างไรบ้าง

ดร.สตีเฟน พลาซ่า (Stephen Plaza) หัวหน้าทีม FlyEM รายงานในบทความที่เผยแพร่ในวารสาร Elife ในปี 2020 ว่า ด้วยความละเอียดของโครงสร้างสามมิติของพวกเขา ทำให้สามารถวิเคราะห์และค้นหาจุดที่เซลล์ประสาทมาเชื่อมต่อกันได้มากถึง 20 ล้านจุด

และนี่คือจุดเริ่มต้นของความสนุกในเฟสต่อไป…

 

เพราะจากนี้ คือการตีความผลที่มีอย่างละเอียด ซึ่งยากยิ่งกว่าการหาโครงสร้างสามมิติหลายเท่านัก…

และเพื่อช่วยให้นักวิจัยประสาทวิทยา วิศวกรพัฒนาระบบโครงข่ายประสาทเทียม (Neural Network) หรือแม้แต่บุคคลทั่วไปที่สนใจประสาทวิทยาแบบสุดๆ สามารถเข้าไปศึกษาการเชื่อมต่อในสมองเฮมิเบรนของแมลงหวี่ได้ดังใจปรารถนา

ในช่วงปลายปี 2020 ทีม FlyEM ของจานีเลีย และกูเกิลก็ได้เผยแพร่แผนที่คอนเน็กโตมของสมองส่วนกลาง (Central Region หรือ Hemibrain) ของแมลงหวี่ ในฐานข้อมูล neuPrint ในเว็บไซต์ของจานิเลีย ใครที่สนใจสามารถลองเข้าไปลองเล่นดูได้

“แผนที่คอนเน็กโตมสมองส่วนเฮมิเบรนของแมลงหวี่นี้ คือแผนที่โครงข่ายสมองของสัตว์ที่ใหญ่และสมบูรณ์ที่สุดเท่าที่เคยมีมามีความละเอียดสูงจนสามารถมองลึกเข้าไปในเซลล์เห็นถุงสารสื่อประสาทได้” มิชาล จานาสซิวสกี้ (Michal Januszewski) และวิเรน เจน (Viren Jain) จากทีมวิจัยคอนเน็กโตมิกของกูเกิลเผยในกูเกิลเอไอบล็อก (Google AI Blog)

พวกเขาตั้งเป้าที่จะเปิดกว้างให้ใครก็ได้สามารถมาใช้ข้อมูลนี้เพื่อการวิจัยและพัฒนาต่อไป ซึ่งการเปิดเผยข้อมูลให้เป็นทรัพยากรสาธารณะแบบนี้ น่าจะเป็นแรงผลักดันสำคัญที่จะช่วยให้วงการวิจัยสมองก้าวหน้าแบบก้าวกระโดดได้ไม่ต่างไปจากฐานข้อมูลจีโนมในอดีต

ก็คงต้องจับตาดูกันต่อไปแล้วล่ะครับว่า “เทคโนโลยีสมองจะมาไว และเปลี่ยนธุรกิจการแพทย์ ยา นวัตกรรมและเทคโนโลยีไปได้ขนาดไหน…”