นักวิทยาศาสตร์ใช้วิธีอย่างไร ในการทำแผนที่สมองบริเวณสุดท้ายที่เรายังไม่รู้จัก

เป็นเวลากว่าศตวรรษแล้วที่นักประสาทวิทยาเพียรศึกษาสมองมนุษย์ในลักษณะเดียวกันกับนักทำแผนที่ยุคบุกเบิกเวลาต้องสำรวจพื้นที่ที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก กล่าวคือค่อย ๆ ต่อภาพของภูมิประเทศอันกว้างใหญ่ขึ้นจากข้อสังเกตที่กระจัดกระจาย

แม้ในปัจจุบัน นักพยาธิวิทยาที่วินิจฉัยโรคต่าง ๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ จะตรวจสอบตัวอย่างเนื้อเยื่อ แต่ก็ตรวจสอบเพียงไม่กี่ชิ้นจากอวัยวะที่เต็มไปด้วยเซลล์ประสาทราว 86,000 ล้านเซลล์ ทำให้พื้นที่ส่วนใหญ่ของอวัยวะดังกล่าวยังคงเป็นสิ่งที่มองไม่เห็น

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์วิจัยสมองสุธา โคปาลกฤษณัน (Sudha Gopalakrishnan Brain Centre- SGBC) แห่งสถาบันเทคโนโลยีอินเดีย ในเมืองมัทราส (IIT-Madras) จึงเชื่อว่าพวกเขาได้ก้าวข้ามช่องว่างข้อหนึ่งซึ่งมีความสำคัญในวงการประสาทวิทยาได้สำเร็จ

คณะวิจัยนี้ได้สร้างสิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็น แผนที่สมองส่วนก้านสมองแบบสามมิติที่มีรายละเอียดระดับเซลล์ที่สมบูรณ์ที่สุดในโลก ซึ่งเป็นแผนที่ดิจิทัลที่เปิดโอกาสให้นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาสมองได้อย่างต่อเนื่อง ตั้งแต่ภาพการตรวจด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) ของสมองทั้งสมองไปจนถึงเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์

โครงการดังกล่าวมีชื่อว่า Anchor (Atlas of Neurochemical Characterisation of the Human Brainstem with 3D Reconstruction) เป็นโครงการซึ่งรวบรวมข้อมูลจากชิ้นเนื้อสมองมากกว่า 500 ชิ้น ครอบคลุมตั้งแต่ระยะทารกในครรภ์ วัยเด็ก และวัยผู้ใหญ่

แผนที่ดังกล่าวถูกสร้างขึ้นจากภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูงแทนที่จะใช้วิธีการทางโมเลกุลที่มีค่าใช้จ่ายสูงกว่า โดยสร้างแผนที่สามมิติที่มีรายละเอียดของก้านสมอง พร้อมทั้งระบุกลุ่มเซลล์สมองและเส้นทางของเส้นประสาทกว่า 200 กลุ่ม

นอกจากนี้ คณะวิจัยยังอาศัยเครื่องหมายทางเคมี 8 ชนิดในการจำแนกประเภทของเซลล์ต่าง ๆ จนส่งผลให้ได้ภาพก้านสมองที่ชัดเจนที่สุดภาพหนึ่งเท่าที่เคยมีมา ทั้งที่ก้านสมองเป็นส่วนสำคัญอย่างยิ่งของสมองแต่ยังเป็นพื้นที่ที่มนุษย์มีความเข้าใจค่อนข้างจำกัดเสมอมา

แม้ก้านสมองจะกินพื้นที่เพียงเล็กน้อยเมื่อเทียบกับสมองทั้งหมด แต่ก็เป็นส่วนที่ทำหน้าที่สำคัญต่อการดำรงชีวิต อวัยวะชิ้นนี้เชื่อมต่อสมองกับไขสันหลัง ทั้งยังควบคุมการหายใจ การเต้นของหัวใจ การนอนหลับ การตื่นตัว และการเคลื่อนไหว

ความเสียหายที่เกิดขึ้นกับกลุ่มเซลล์ขนาดเล็กภายในก้านสมองอาจส่งผลร้ายแรงอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่ซับซ้อนและอัดแน่นของบริเวณนี้ได้กลายเป็นอุปสรรคที่ขวางกั้นนักวิทยาศาสตร์ในการทำแผนที่ก้านสมองอย่างละเอียดมาโดยตลอดแม้จะพยายามเพียงไรก็ตาม

ความสำคัญของ Anchor ไม่ได้อยู่ที่การเป็นเพียงแผนที่กายวิภาคของสมองอีกชิ้นหนึ่งเท่านั้น แต่แผนที่สมองชิ้นนี้เชื่อมโยงโลกสองใบที่แทบจะแยกขาดจากกันมาโดยตลอด นั่นคือ โลกของภาพถ่ายทางการแพทย์ที่แสดงให้เห็นสมองทั้งสมอง และโลกของพยาธิวิทยาระดับเซลล์ที่เผยให้เห็นรายละเอียดทีละเซลล์

"เรากำลังได้เห็นโครงการที่มีวิสัยทัศน์ที่จะส่งให้ให้อินเดียก้าวขึ้นมาเป็นหนึ่งในผู้เล่นสำคัญบนเวทีวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติ" ชูภา โทเล นักประสาทวิทยาชาวอินเดียจากสถาบันวิจัยพื้นฐานทาทา (Tata Institute of Fundamental Research) กล่าว พร้อมอธิบายว่าโครงการนี้เป็นการบูรณาการระหว่างศาสตร์ด้านวิศวกรรม ประสาทวิทยา และการแพทย์ที่ "ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน"

โดยทั่วไป แพทย์จะเริ่มศึกษาสมองจากการตรวจสมองทั้งก้อนในการชันสูตรศพ หรือจากเนื้อเยื่อที่ถูกนำออกมาระหว่างการผ่าตัดระบบประสาท สมองของผู้ใหญ่มีน้ำหนักราว 1.2-1.5 กิโลกรัม และรอยหยักรวมถึงโครงสร้างหลักต่าง ๆ ของสมองสามารถให้ข้อมูลสำคัญได้ก่อนแพทย์จะตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์

"ในฐานะนักพยาธิวิทยาระบบประสาท ฉันจะเริ่มจากการตรวจสมองทั้งก้อนด้วยตาเปล่า ก่อนจะนำชิ้นเนื้อขนาดเล็กมาตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์" รีเบกกา โฟลเกอร์ธ ผู้เชี่ยวชาญซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับคณะแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด และมหาวิทยาลัยนิวยอร์ก และร่วมงานกับทีม SGBC กล่าว

"เมื่อต้องตรวจโรคอัลไซเมอร์ เราอาจตรวจชิ้นเนื้อเพียง 15-20 ชิ้นเท่านั้น ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนไม่ถึง 1% ของอวัยวะทั้งหมด"

นี่เป็นแนวทางปฏิบัติที่ใช้กันมาตั้งแต่ยุคบุกเบิกของซานติอาโก รามอน อี กาฆาล นักประสาทวิทยาชาวสเปนบุกเบิกแนวทางไว้เมื่อกว่าศตวรรษก่อน

เทคโนโลยี MRI สมัยใหม่สามารถเผยให้เห็นภาพของสมองทั้งสมองได้ แต่ยังไม่ละเอียดถึงระดับเซลล์ ขณะที่กล้องจุลทรรศน์สามารถมองเห็นเซลล์แต่ละเซลล์ได้อย่างชัดเจน แต่จำกัดอยู่เพียงชิ้นเนื้อที่ถูกตัดออกมาเป็นส่วน ๆ

"สิ่งที่ศูนย์วิจัยแห่งนี้ในอินเดียสร้างขึ้น คือสิ่งที่ฉันใฝ่ฝันมาตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นอาชีพ นั่นคือการทำให้ภาพสแกนสมองสอดคล้องกับกายวิภาคของสมองในระดับจุลภาค" โฟลเกอร์ธ ซึ่งศึกษาและตรวจสมองมนุษย์มาหลายพันชิ้นตลอดระยะเวลากว่า 30 ปี กล่าวกับบีบีซี

Anchor มีเป้าหมายที่จะปิดช่องว่างดังกล่าวเข้าด้วยกัน

ผู้ใช้งานสามารถซูมภาพก้านสมองทั้งหมดที่เห็นในภาพสแกน MRI ลงไปจนถึงระดับเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ได้ โดยยังคงรักษาตำแหน่งเชิงพื้นที่ที่สัมพันธ์กันไว้อย่างแม่นยำ

คณะวิจัยได้นำแผนที่สมองดังกล่าวเผยแพร่ให้ใช้งานได้ฟรีทางออนไลน์ โดยหวังว่าจะกลายเป็นเครื่องมืออ้างอิงสำหรับนักประสาทวิทยา แพทย์ด้านระบบประสาท และศัลยแพทย์ระบบประสาททั่วโลก

ศักยภาพในการนำไปใช้ของ Anchor ยังอาจขยายไปไกลกว่าการศึกษากายวิภาคของสมองเพียงอย่างเดียว

การเปรียบเทียบแผนที่ก้านสมองของคนปกติกับเนื้อเยื่อที่มีความผิดปกติ อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจโรคต่าง ๆ ได้ดียิ่งขึ้น ตั้งแต่โรคพาร์กินสัน โรคหลอดเลือดสมอง และโรคอัลไซเมอร์ ไปจนถึงกลุ่มอาการทารกเสียชีวิตกะทันหัน (Sudden Infant Death Syndrome - SIDS)

นอกจากนี้ แผนที่สมองที่มีความละเอียดและแม่นยำมากขึ้นยังอาจช่วยให้ศัลยแพทย์ระบบประสาทสามารถวางแผนและดำเนินการผ่าตัดในก้านสมอง ซึ่งเป็นหนึ่งในบริเวณที่ซับซ้อนและเปราะบางที่สุดของสมอง ได้อย่างมั่นใจยิ่งขึ้น

Anchor ไม่ใช่เครื่องมือสำหรับการวินิจฉัยโรคโดยตรง แต่คุณค่าที่สำคัญที่สุดของมันอยู่ที่การช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถหาคำตอบสำหรับคำถามสำคัญทางการแพทย์ที่ยังคงค้างคาอยู่ได้

ปาร์ธา มิตรา นักวิทยาศาสตร์ด้านสมองจากห้องปฏิบัติการโคลด์สปริงฮาร์เบอร์ (Cold Spring Harbor Laboratory) ในนครนิวยอร์ก ซึ่งเคยร่วมงานกับ SGBC กล่าวว่า แผนที่สมองที่มีรายละเอียดในระดับนี้อาจสร้าง "การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่" ให้กับการศึกษาความผิดปกติทางระบบประสาท เพราะช่วยให้นักวิจัยสามารถเปรียบเทียบสมองที่ได้รับผลกระทบจากโรคต่าง ๆ เช่น อัลไซเมอร์ หรือออทิสติก กับสมองที่ปกติได้ในระดับเซลล์ต่อเซลล์

มิตรากล่าวกับบีบีซีด้วยว่า แผนที่ดังกล่าวอาจช่วยอธิบายได้ว่า เหตุใดการติดเชื้อบางชนิด รวมถึงเชื้อโควิด-19 จึงสามารถก่อให้เกิดความเสียหายต่อระบบประสาทในระยะยาวได้

ด้านรีเบกกา โฟลเกอร์ธ ยกตัวอย่างโรคหลอดเลือดสมอง โดยระบุว่า แผนที่สมองนี้ได้เผยให้เห็นรายละเอียดใหม่บางประการที่อาจช่วยให้แพทย์สามารถรักษาเนื้อสมองที่ได้รับความเสียหายแต่ยังไม่สูญเสียหน้าที่อย่างถาวรได้ ซึ่งอาจช่วยเพิ่มโอกาสในการฟื้นตัวของผู้ป่วย ขณะที่นักวิจัยคนอื่น ๆ มองว่า แผนที่ดังกล่าวอาจช่วยให้ศัลยแพทย์ระบบประสาทสามารถผ่าตัดบริเวณก้านสมองได้อย่างปลอดภัยมากขึ้น

เสน่ห์ส่วนหนึ่งของแผนที่สมองชุดนี้อยู่ที่ความเรียบง่าย โดยอาศัยภาพความละเอียดสูงจากชิ้นเนื้อสมองของผู้เสียชีวิตที่ถูกตัดเป็นแผ่นบาง ๆ ทำให้การสร้างแผนที่สมองในระดับเซลล์สามารถดำเนินการได้ด้วยต้นทุนที่ไม่สูงจนเกินไป

มิตรากล่าวว่า ความก้าวหน้าดังกล่าวทำให้สามารถจัดทำแผนที่ก้านสมองมนุษย์ได้ในรายละเอียดระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน

ความสำเร็จครั้งนี้สะท้อนการเปลี่ยนแปลงในวงกว้างของวงการประสาทวิทยาศาสตร์โดยสะท้อนว่าปัจจุบันวงการนี้ต้องพึ่งพาทั้งวิศวกรรมศาสตร์และการประมวลผลข้อมูลมากพอ ๆ กับชีววิทยา

ตลอดระยะเวลา 18 เดือน นักวิทยาศาสตร์ราว 20 คนที่ SGBC ได้วิเคราะห์ชิ้นเนื้อสมองมากกว่า 200 ชิ้นด้วยตนเอง โดยผสานข้อมูลจากการสแกนด้วยเครื่อง MRI กายวิภาคศาสตร์ระดับจุลทรรศน์ และการสร้างภาพสามมิติ เข้าด้วยกันเป็นแผนที่ดิจิทัลฉบับเดียว

ปัจจุบัน ศูนย์แห่งนี้มีนักวิจัย วิศวกร และเจ้าหน้าที่เทคนิคมากกว่า 200 คน ทำงานร่วมกับเครือข่ายผู้ร่วมวิจัยจากทั่วโลก

ผลลัพธ์ที่ได้ช่วยอุดช่องว่างสำคัญในองค์ความรู้ด้านประสาทวิทยาที่หลงเหลืออยู่จนถึงปัจจุบัน

โมหนาศังกร ศิวประกาศัม ผู้อำนวยการ SGBC กล่าวกับบีบีซีว่าก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ได้จัดทำแผนที่สมองของสัตว์หลายชนิดในระดับรายละเอียดที่น่าทึ่งมาแล้ว แต่สมองมนุษย์กลับยังได้รับการสำรวจอย่างละเอียดน้อยกว่ามาก เนื่องจากการศึกษาชิ้นเนื้อสมองมนุษย์ในเชิงลึกยังมีอยู่อย่างจำกัด

อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ได้หมายความว่าที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ไม่มีแผนที่สมองให้ใช้งาน

"แผนที่แต่ละประเภทได้รับการออกแบบมาเพื่อตอบโจทย์ที่แตกต่างกัน" มิตรา กล่าว

แผนที่สมองที่อาศัยภาพ MRI สามารถแสดงโครงสร้างภาพรวมของสมองได้ แต่ไม่ละเอียดถึงระดับเซลล์ ขณะที่แผนที่ทางเนื้อเยื่อวิทยา (histological atlases) ใช้ภาพจากกล้องจุลทรรศน์ของชิ้นเนื้อสมองเพื่อแสดงโครงสร้างในระดับเซลล์ ส่วนเทคนิคทางโมเลกุลรุ่นใหม่ก้าวไปอีกขั้น ด้วยการระบุลักษณะเฉพาะของเซลล์แต่ละชนิดได้อย่างแม่นยำ

ถึงกระนั้น นักวิทยาศาสตร์ก็ยังมีความรู้จำกัดเรื่องการกระจายตัวของโปรตีนราว 20,000 ชนิดภายในสมองเป็นอย่างมาก โดยยังไม่ทราบว่าโปรตีนเหล่านี้อยู่ในบริเวณใดและเซลล์ประเภทใดบ้าง และนี่ถือเป็นพื้นที่สำคัญที่จะกำหนดทิศทางของการทำแผนที่สมองในยุคต่อไป

"สมองทุกสมองล้วนเป็นหีบสมบัติที่ซ่อนองค์ความรู้ใหม่ ๆ เอาไว้" โฟลเกอร์ธกล่าว

ปัจจุบัน SGBC มีแผนจัดทำภาพสมองมนุษย์ทั้งก้อนมากกว่า 100 สมอง ครอบคลุมช่วงวัยต่าง ๆ และภาวะความผิดปกติทางระบบประสาทหลายประเภท รวมทั้งโรคอัลไซเมอร์และภาวะสมองเสื่อม เพื่อสร้างฐานข้อมูลอ้างอิงที่อาจช่วยให้เห็นว่าโรคเหล่านี้เปลี่ยนแปลงสมองอย่างไรในระดับเซลล์

แผนที่สมองฉบับใหม่นี้อาจยังไม่สามารถไขปริศนาทั้งหมดของสมองมนุษย์ได้ แต่เมื่อมีแผนที่ที่ละเอียดกว่าที่เคยมีมาก็อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตั้งคำถามที่ดีกว่าเดิม และท้ายที่สุดอาจนำไปสู่คำตอบที่ดียิ่งขึ้นด้วยเช่นกัน