สมองชิ้นเล็กแค่ 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร มีจุดเชื่อมต่อประสาทถึง 150 ล้านแห่ง

ชื่องานวิจัย: A petavoxel fragment of human cerebral cortex reconstructed at nanoscale resolution

ลองนึกภาพลูกบาศก์เล็ก ๆ ที่แต่ละด้านยาวแค่ 1 มิลลิเมตร ถ้าลูกบาศก์นั้นเป็นเนื้อสมองมนุษย์ คุณคิดว่าข้างในจะมีอะไรอยู่บ้าง? งานวิจัยหนึ่งพบว่า เนื้อสมองขนาดเพียงเท่านี้มีเซลล์ประมาณ 57,000 เซลล์ และจุดเชื่อมต่อประสาทราว 150 ล้านแห่ง ถ้านำความยาวของหลอดเลือดทั้งหมดในชิ้นเนื้อนี้มารวมกัน ก็จะได้ประมาณ 230 มิลลิเมตร ทั้งหมดนี้อยู่ในพื้นที่เพียง 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตรเท่านั้น[nih] ตัวเลขเหล่านี้ไม่ได้มาจากการคาดเดาว่าสมองน่าจะมีอะไรอยู่บ้าง แต่มาจากการสร้างแผนที่สามมิติของเนื้อสมองมนุษย์จริง ๆ งานของ Alexander Shapson-Coe และคณะ เกิดจากความร่วมมือระหว่างทีม Harvard และ Google และตีพิมพ์ในวารสาร Science เมื่อวันที่ 10 พฤษภาคม 2024[nih +1] แผนที่ นี้สร้างขึ้นได้อย่างไร? เนื้อสมองที่ใช้ศึกษาเป็นส่วนหนึ่งของเปลือกสมองบริเวณกลีบขมับ หรือ temporal cortex ซึ่งถูกนำออกระหว่างการผ่าตัดเพื่อเข้าถึงบริเวณต้นเหตุของอาการชักในผู้ป่วยโรคลมชัก ทีมวิจัยนำภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมาประมวลผลร่วมกับ AI เพื่อสร้างโครงสร้างของเซลล์และการเชื่อมต่อกลับขึ้นมาเป็นภาพสามมิติ[nih +1] การทำแผนที่แบบนี้เรียกว่า connectomics พูดง่าย ๆ คือการตามดูว่า “เซลล์ประสาทเซลล์นี้เชื่อมกับเซลล์ไหนบ้าง” ไม่ใช่แค่การนับจำนวนเซลล์ แต่เป็นการสำรวจเส้นทางการเชื่อมต่อที่อยู่ระหว่างเซลล์เหล่านั้นด้วย[harvard] จุดที่เซลล์ประสาทใช้ติดต่อกับเซลล์เป้าหมายเรียกว่า synapse หรือจุดเชื่อมต่อประสาท ในชิ้นเนื้อที่ศึกษา นักวิจัยพบจุดเหล่านี้ประมาณ 150 ล้านแห่ง ความซับซ้อนของสมองจึงไม่ได้อยู่แค่ว่ามีเซลล์มากเท่าไร แต่ยังอยู่ที่ว่าเซลล์เหล่านั้นเชื่อมต่อกันอย่างไรด้วย[nih +1] 57,000 เซลล์ ไม่ได้หมายถึงเซลล์ประสาททั้งหมด อีกเรื่องที่น่าสนใจคือ เซลล์ที่พบในชิ้นเนื้อนี้ไม่ได้เป็นเซลล์ประสาททั้งหมด นักวิจัยพบเซลล์อีกกลุ่มที่เรียกว่า glia มากกว่าเซลล์ประสาทประมาณ 2 ต่อ 1 โดยเซลล์ชนิดที่พบมากที่สุดคือ oligodendrocyte ซึ่งเป็นเซลล์ glia ชนิดหนึ่ง[nih] ดังนั้น เวลาอ่านตัวเลข “57,000 เซลล์” เราต้องแยกให้ออกว่าเป็นจำนวนเซลล์ทั้งหมด ไม่ใช่จำนวนเซลล์ประสาท และสัดส่วนที่พบในตัวอย่างนี้ก็ยังไม่ควรนำไปสรุปว่าสมองทุกส่วนหรือสมองของทุกคนมีสัดส่วนเหมือนกัน[nih] บางคู่ไม่ได้เชื่อมกันแค่จุดเดียว ทีมวิจัยยังพบการเชื่อมต่อที่หาได้ยาก โดย axon หรือแขนงส่งสัญญาณของเซลล์ประสาทหนึ่งเซลล์ สร้างจุดเชื่อมต่อไปยังเซลล์เป้าหมายเดียวได้มากถึงประมาณ 50 จุด[nih +1] ถ้าเปรียบเทียบให้เห็นภาพ ก็เหมือนคนสองคนที่ไม่ได้มีช่องทางติดต่อกันแค่ช่องเดียว แต่มีช่องทางเชื่อมถึงกันหลายสิบช่อง แผนที่นี้จึงบอกได้มากกว่าแค่ว่า “ใครเชื่อมกับใคร” เพราะยังแสดงให้เห็นด้วยว่าเซลล์แต่ละคู่มีจุดเชื่อมต่อกันมากน้อยแค่ไหน[nih] แต่เรายังบอกไม่ได้จากจำนวนจุดเชื่อมต่อเพียงอย่างเดียวว่า เซลล์คู่นั้นทำหน้าที่อะไร หรือเกี่ยวข้องกับความทรงจำเรื่องไหน การเห็นโครงสร้างอย่างละเอียดจึงยังไม่เท่ากับการเข้าใจหน้าที่ของมันทั้งหมด[nih] นอกจากนี้ นักวิจัยยังพบ axon บางเส้นที่ขดเป็นวงวนอย่างซับซ้อนด้วย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากชิ้นเนื้อมาจากผู้ป่วยโรคลมชัก จึงยังไม่ชัดเจนว่าโครงสร้างนี้เกี่ยวข้องกับโรค หรือเป็นลักษณะที่พบได้ยากในเนื้อสมองทั่วไป[harvard] ชิ้นเนื้อเล็ก แต่ข้อมูลไม่เล็กตาม การสร้างแผนที่ครั้งนี้ให้ข้อมูลประมาณ 1.4 petabytes หรือราว 1,400 terabytes ตัวเลขนี้คือปริมาณข้อมูลภาพและข้อมูลที่ใช้สร้างโครงสร้างสามมิติ ไม่ใช่ความจุความทรงจำของสมองชิ้นนั้น[nih +1] สิ่งที่สำคัญจึงไม่ใช่แค่การได้ภาพสมองที่ละเอียด ทีมวิจัยยังเปิดข้อมูลและเครื่องมือให้คนอื่นเข้ามาสำรวจต่อได้ เพื่อศึกษารูปแบบการเชื่อมต่อและตั้งคำถามใหม่ ๆ จากรายละเอียดที่ค้นพบ[harvard] แล้วแผนที่นี้ทำให้เราอ่านความคิดได้ไหม? ยังไม่ได้ครับ แผนที่นี้แสดงโครงสร้างของเนื้อสมอง ไม่ได้แสดงการทำงานทั้งหมดขณะที่เจ้าของสมองกำลังคิด รู้สึก หรือจำบางเรื่อง งานวิจัยนี้จึงไม่ได้บอกว่านักวิจัยอ่านความคิดได้ หรือระบุได้ว่าความทรงจำเรื่องใดอยู่ตรงจุดไหน[nih +1] อีกข้อที่ต้องจำไว้คือ นี่เป็นเนื้อสมองชิ้นเล็กจากผู้ป่วยหนึ่งราย ไม่ใช่สมองทั้งก้อน และไม่ใช่ตัวแทนของสมองมนุษย์ทุกคน สิ่งที่พบจึงเป็นทั้งข้อมูลสำคัญและจุดเริ่มต้นของคำถามที่ต้องศึกษาต่อ[nih +1] ความน่าทึ่งของงานนี้อยู่ตรงที่ เนื้อสมองเล็ก ๆ ที่เราอาจแทบไม่ทันสังเกต กลับมีจุดเชื่อมต่อประสาทอยู่ถึงประมาณ 150 ล้านแห่ง และเมื่อมองเข้าไปอย่างละเอียด เราก็เริ่มเห็นว่า การเข้าใจสมองต้องอาศัยมากกว่าการนับเซลล์—เราต้องรู้ด้วยว่าเซลล์เหล่านั้นเชื่อมต่อกันอย่างไร และการเชื่อมต่อนั้นเกี่ยวข้องกับการทำงานแบบไหน