เข้าใจ "สมอง" กับน้อง "แมลงหวี่"

กระจองงอง กระจองงอง เจ้าข้าเอ้ยยยย… ใครอยากดูสมองแบบสามมิติ (3D) มาดูได้ เพราะในตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถทำแอตลาส (Atlas) สมองแมลงหวี่ได้สำเร็จแล้ว!!!!

อ้าวววว!! แล้วทำไมต้องตื่นเต้นด้วยก็แค่แมลงหวี่…ไม่ใช่สมองคนเสียหน่อย?

ก็สมองของคนมันซับซ้อนเกินไป เกินว่าที่นักวิจัย (และเทคโนโลยีในปัจจุบันจะรับไหว) แค่เศษเสี้ยวสมองคนดูจากสมองส่วนเนื้อเทา (Grey matter) ชิ้นกระจิริด ขนาดแค่เพียง 1 ลูกบาศก์มิลลิเมตร ก็มีเซลล์ประสาทติดมาแล้วกว่าห้าหมื่นเจ็ดพันเซลล์ และมีจุดไซแนปส์ (synapse) หรือที่ภาษาไทยเรียกจุดประสานประสาทอยู่มากถึงหนึ่งร้อยห้าสิบล้านจุด

เรื่องความซับซ้อนและการตรวจสอบผังวงจรประสาท แม้จะใช้เอไอช่วยก็ยังต้องใช้เวลาและกำลังของผู้เชี่ยวชาญอย่างน้อยก็อีกนาน

“เนื้อสมองที่เราได้มาชิ้นมันเล็กยิ่งกว่าเมล็ดข้าวเสียอีก แต่พอเราเริ่มผ่าและเริ่มศึกษามัน ก็พบว่ามันสวยงามมาก” เจฟฟ์ ลิชต์แมน (Jeff Lichtman) นักอณูชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University) หัวหน้าทีมวิจัยแผนที่สมองมนุษย์กล่าวถึงชิ้นเนื้อ

“และเมื่อเราค่อยๆ เก็บข้อมูลมากขึ้นเรื่อยๆ ผมก็เริ่มตระหนักว่าข้อมูลที่เราได้มานั้น มันมากเกินไปกว่าที่เราจะจัดการได้ไหว” เจฟฟ์เล่า

เพื่อให้งานนี้เดินไปได้ แม้จะอยู่ในมหาวิทยาลัยชั้นนำอย่างฮาร์วาร์ด เจฟฟ์ไม่ยึดติดว่าทุกอย่างต้องทำในทีมเขา เขาตัดสินใจเอาต์ซอร์ซงานยากอย่างการวิเคราะห์ภาพไปให้กับโปร เขาจับมือกับกูเกิลและขอให้ทีมโปรแกรมเมอร์จากกูเกิลมาช่วยวิเคราะห์และจัดการข้อมูลแผนผังเครือข่ายสมองที่ยิ่งใหญ่และยุ่บยั่บ

ข้อมูลจากทีมกูเกิลเผยว่าเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่พวกเขาพบบางเซลล์มีเส้นใยประสาทแอกซอน (axon) มาต่อเชื่อมด้วยมากกว่าห้าพันหกร้อยเส้น

นี่เป็นอะไรที่เกินความคาดหมายไปมาก

ต้องยอมรับว่าเจฟฟ์ตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาด เพราะไม่ใช่แค่เรื่องซอฟต์แวร์ในการวิเคราะห์และจำแนกภาพอย่างเดียวที่เป็นเรื่องท้าทาย เพราะที่จริงแล้ว ปัญหาที่ใหญ่จริงอยู่ที่ฮาร์ดแวร์

ข้อมูลภาพชิ้นสมองสามมิติที่ทีมของเจฟฟ์เก็บมานั้นมากมายมหาศาลของจริง แค่ข้อมูลดิบอย่างเดียว ก็ต้องใช้พื้นที่ในการเก็บข้อมูลในฮาร์ดดิสก์ไปแล้วมากกว่า 1.4 เพตะไบต์ (หรือราวๆ 1.4 ล้านกิกะไบต์)

ลองจินตนาการว่าเวลาจะเรียกข้อมูลที่ใหญ่โตมโหฬารขนาดนี้ขึ้นมาวิเคราะห์ทีหนึ่ง ต่อให้เป็นกูเกิลก็ยังต้องลุ้นว่าระบบประมวลผลจะจัดการได้ดีแค่ไหน จะค้างจะดับหรือไม่ แล้วเอไอจะวิเคราะห์ได้ครอบคลุมและแม่นยำแค่ไหน เพราะข้อมูลนั้นใหญ่เกินเบอร์ไปมาก

ในภายหลัง แม้ว่าทีมกูเกิลจะพัฒนาวิธีวิเคราะห์ข้อมูลแบบเลือกเฉพาะส่วนได้ แต่ยังไงอุปสรรคที่ท้าทายที่พวกเขาจะต้องหาทางก้าวข้ามให้ได้ก็คือการจัดการข้อมูลที่มีขนาดมหึมานี่แหละ หากอยากทำโปรเจ็กต์สมองคนให้สำเร็จ

เจฟฟ์เผยว่าพวกเขามีแผนจะเดินหน้าไปลุยสมองหนู แต่คราวนี้จะเอาทั้งก้อน ซึ่งน่าที่จะให้ข้อมูลการเชื่อมโยงที่เห็นเด่นชัดกว่า แต่ปัญหาของโปรเจ็กต์นี้คือขนาดของสมองหนู เพราะแค่นี้ก็ 1.4 เพตะไบต์เข้าไปแล้ว

ถ้าดูแค่ปริมาตร สมองหนูน่าจะใหญ่กว่าชิ้นเนื้อสมองคนของเจฟฟ์ ราวๆ พันเท่า ซึ่งหมายความว่าเขาจะต้องจัดการข้อมูล ไม่ใช่แค่หลักเพตะไบต์ แต่จะต้องเป็นหลักพันเพตะไบต์หรือเอกซะไบต์ (exabyte)

และถ้าเขาต้องการจะไปต่อกับสมองมนุษย์ 3D แบบทั้งก้อน ไม่ใช่มาแบบเศษจิ๋วแบบนี้ ข้อมูลจะต้องขยายใหญ่ไปกว่าของสมองหนูไปอีกพันเท่า ซึ่งจะอยู่ในหน่วยล้านเพตะไบต์ หรือที่เรียกว่าเซตตะไบต์ (zettabyte)

เซตตะไบต์ใหญ่แค่ไหน ลองจินตนาการว่านี่คือข้อมูลที่มีการเชื่อมโยงกันทั้งหมดในอินเตอร์เน็ตในปี 2016 ทั้งปี

แค่หาที่เก็บข้อมูลให้พอยังถึงขั้นกระอักเลือด เรื่องการเรียกข้อมูลมาวิเคราะห์ยังไม่ต้องพูดถึง…ต่อให้มีเอไอมาช่วยก็ยังยากแสนยาก

นี่ยังไม่นับว่าจะต้องหาวิธีขอรับบริจาคสมองมาให้ได้ให้ถูกหลักชีวจริยธรรม แล้วจะมีมนุษย์ปกติคนไหนที่จะยินดีบริจาคสมองให้ผ่า เรื่องนี้อีกยาว…

และนั่นคือสาเหตุที่ทำไมคนถึงหันมาสนใจสิ่งมีชีวิตที่มีสมองซับซ้อนน้อยกว่า

แน่นอนว่าแมลงหวี่อาจจะไม่ใช่สัตว์ที่ฉลาดที่สุด แต่ถ้าจะหาสมองไหนมาผ่า สำหรับนักวิทยาศาสตร์ สมองแมลงหวี่ถือเป็นหนึ่งในสมองที่น่าสนใจที่สุด!!

ทั้งนี้เพราะแมลงหวี่เป็นสัตว์ทดลองที่ถูกใช้มาเนิ่นนาน โปรโตคอลในการเพาะเลี้ยง จัดการและทำวิจัยในแมลงหวี่นั้นก็ถูกพัฒนามาอย่างเพียบพร้อมตั้งแต่สมัยโทมัส ฮันต์ มอร์แกน (Thomas Hunt Morgan)

อีกทั้งพันธุกรรมของแมลงหวี่นั้นถูกศึกษามาจนทะลุปรุโปร่ง ถ้าเทียบกับมนุษย์ ยีนของแมลงหวี่กับของมนุษย์เหมือนกันราวๆ 60 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งรวมถึงยีนที่เกี่ยวข้องกับการเรียนรู้ และโรคทางพันธุกรรม

นอกจากนี้ สมองของแมลงหวี่ยังมีขนาดพอเหมาะพอเจาะ ขนาดอยู่ราวๆ ครึ่งมิลลิเมตร ถ้าเทียบก็ขนาดประมาณไข่ผำเม็ดเล็กๆ และมีเซลล์ราวๆ แสนถึงแสนห้าหมื่นเซลล์ ซึ่งข้อมูลก็น่าจะอยู่ในระดับเพตะไบต์ แม้จะอ่วมอรทัย แต่ก็ยังถือว่าอยู่ในเกณฑ์ที่พอรับไหว วิจัยได้

ที่น่าสนใจที่สุด คือ ด้วยเซลล์สมองที่มีอย่างจำกัดแค่แสนกว่าเซลล์ (เทียบกับคนที่แปดหมื่นสี่พันล้านเซลล์) แมลงหวี่มีระดับสติปัญญาไม่ได้ขี้เหร่ และมีพฤติกรรมที่ซับซ้อน

พวกมันสามารถเรียนรู้ได้ ตามกลิ่นได้ หาอาหารได้ เกี้ยวพาราสีได้

ที่สำคัญ พวกมันเมาแอ๋ได้เหมือนคนถ้าได้แอลกอฮอล์เข้าไป ตาค้างได้เหมือนคนถ้าได้กาเฟอีน และเจ็ตแล็กได้ ไม่ต่างจากคน

และถ้าเราเข้าใจสมองของแมลงหวี่ได้ บางทีเราอาจจะเริ่มเห็นภาพพิมพ์เขียวลางๆ ว่าสมองทำงานอย่างไร วงจรต่างๆ ในสมองเชื่อมโยงและตอบสนองต่อสิ่งเร้าอย่างไร

และถ้าโชคดี สมองของแมลงหวี่อาจจะสะท้อนให้เราเห็นถึงกลไกสำคัญหลายๆ อย่างในมนุษย์ด้วยก็ได้ อย่างเช่น การสร้างความทรงจำ การเรียนรู้ ความตื่นเต้นทางเพศ หรือแม้แต่กลไกการเกิดเจ็ตแล็ก

โครงการการสร้างพิมพ์เขียวสมองแมลงหวี่ถึงได้ถือกำเนิดขึ้นในปี 2013 ที่ศูนย์วิจัยฟาร์มจานิเลีย (Janilia Farm Research Campus) สถาบันการแพทย์ฮาวเวิร์ด ฮิวจ์ (Howard Hughes Medical Institute หรือ HHMI) ในเวอร์จิเนีย โดยมีนักวิจัย เดวิ บอค (Davi Bock) เป็นคนนำทีม

เพื่อให้สามารถมองเห็นจุดประสานประสาท และถุงส่งสารสื่อประสาท เดวิเลือกที่จะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อเก็บภาพความละเอียดสูงของสมองแมลงหวี่ซึ่งเป็นอะไรที่ทะเยอทะยานมาก และเป็นการตัดสินใจที่บ้าบิ่น

การเลือกใช้เทคนิคที่ยากและซับซ้อนอย่างจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำให้งานของเดวิดำเนินไปอย่างเชื่องช้ามากๆ แม้จะได้รับการอัดฉีดอย่างเต็มที่ในเรื่องทุนวิจัยจาก HHMI

ในช่วงห้าปีแรกที่ทำงานนี้ เดวิอยู่ในสถานะไม่มั่นคง เพราะผลที่ใช้ได้นั้นแทบไม่มีเลย เมื่อเทียบกับเงินที่ HHMI ลงทุนลงไป ถือว่าเป็นอะไรที่สุ่มเสี่ยงมากสำหรับเดวิ เพราะถ้าบอร์ดบริหารมองว่าการว่าจ้างเขาอาจจะไม่ใช่ทางเลือกที่คุ้มค่า และเลือกที่จะหาคนใหม่มาแทน เขาอาจไม่ได้รับการต่อสัญญา

และเมื่อเดวิเปิดเผยแผนการสุดอลังการของเขาให้กับบอร์ด เขาก็ได้รับการต่อสัญญาทันทีกับ HHMI

เพราะแท้ที่จริงแล้ว ที่ทีมของเขายังไม่ค่อยได้ผล เพราะพวกเขายังไม่ได้เริ่มโฟกัสกับการเก็บผล แต่ไปทุ่มให้กับการพัฒนาเทคนิคการเตรียมตัวอย่างสมองสำหรับจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบอัตโนมัติ การถ่ายภาพและการต่อภาพแบบอัตโนมัติ รวมไปถึงกลไกการเอาภาพทั้งหมดที่ถ่ายมาได้มาประกอบขึ้นเป็นสมองสามมิติ

หลังจากโปรโตคอลอัตโนมัติของเขาสำเร็จ แผนของเขาก็เริ่มสุกงอม ผลการทดลองของทีมเดวิเริ่มไหลล้นท้น ในปี 2018 เขาถ่ายภาพสมองแมลงหวี่ไปกว่า 21 ล้านรูป จาก 7050 ตัวอย่าง ก่อนที่เขาจะตัดสินใจย้ายไปอยู่ที่โรงเรียนแพทย์ มหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ (University of Vermont) ในปี 2019 และเพื่อให้ประโยชน์อย่างแท้จริง HHMI เปิดข้อมูลของเดวิเป็นข้อมูลสาธารณะ

ผลงานวิจัยของเดวิกลายเป็นแรงบันดาลใจของใครหลายคน ทำให้มาลา เมอร์ธี (Mala Murthy) นักกีฏวิทยา และเซบาสเตียน ซุง (Sebastian Seung)j นักชีวสารสนเทศจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน (Princeton University) ปวารณาตัวเข้ามาช่วยกันสานต่องานของเดวิ พวกเขาใช้เอไอช่วยในการจำแนกขอบเขตเซลล์ประสาทและประกอบร่างแผนที่สมองแมลงหวี่สามมิติขึ้นมา

“นี่เป็นความพยายามที่บ้าระห่ำ ไม่เคยมีใครเคยทำแผนที่สมองละเอียดขนาดนี้มาก่อน” มาลากล่าว เธอพึงพอใจมากกับแผนที่สมองแมลงหวี่ที่เธอกับเซบาสเตียนสร้างขึ้นมา แต่ในเรื่องความถูกต้องนั้น ต้องตรวจสอบอีกที…

ด้วยข้อมูลที่เยอะเกินว่าจะทำไหว มาลาและเซบาสเตียนช่วยกันตั้งเครือข่ายวิจัย FlyWire ขึ้นมา เพื่อหาพันธมิตรเข้ามาช่วยกันตรวจสอบความถูกต้องของวงจร และเครือข่ายเซลล์ประสาททั้งหมดในแผนที่สมองของพวกเขา

และเริ่มสร้างแพลตฟอร์มเพื่อให้อาสาสมัครเข้ามาช่วยตรวจสอบและยืนยันชนิดของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ ทีละเซลล์แบบแมน่วลในปี 2022

งานนี้ใช้แรงคนล้วนๆ ไม่ใช่เอไอ ซึ่งเป็นงานที่โหดหินมาก แต่ที่น่าแปลกใจคือพวกเขาได้อาสาสมัครมาหลายร้อยคนมาเข้าร่วมทีม และช่วยกันตรวจสอบ ตรวจเช็กผลทุกอย่างจนได้เป็นข้อมูลที่สุดแสนอลังการในปัจจุบัน

ในแผนที่สมองแมลงหวี่และอวัยวะรับแสงที่มีจำนวนเซลล์มากถึงเกือบหนึ่งแสนสี่หมื่นเซลล์ และจุดประสานประสาทกว่าห้าสิบล้านจุด ทีมพันธมิตรช่วยกันจำแนกเซลล์ประสาทในนั้นไปแล้วกว่า 98 เปอร์เซ็นต์

และค้นพบเซลล์ประสาทที่แตกต่างกันกว่าแปดพันชนิด เกือบๆ สี่พันหกร้อยชนิดเป็นชนิดใหม่ที่ไม่มีใครเคยพบเจอมาก่อน

ทางทีมและเหล่าพันธมิตรเปิดตัวแผนที่โครงข่ายสมองแมลงหวี่ด้วยการตีพิมพ์ 9 เปเปอร์ใน Nature ซึ่งเป็นวารสารตัวท็อปของวงการวิทยาศาสตร์ ซึ่งเป็นอะไรที่ยิ่งใหญ่มาก ถ้าเทียบกัน

เชื่อว่า ผลกระทบของงานนี้ในวงการประสาทวิทยาก็น่าจะแรงไม่ได้ด้อยไปกว่าผลกระทบของโครงการจีโนมมนุษย์ในอดีต

และที่เจ๋งที่สุด ในหนึ่งงานที่เผยแพร่ออกมาในซีรีส์ 9 เปเปอร์นั้น ทางทีมวิจัยได้ลองใช้ข้อมูลจากแผนที่สมองแมลงหวี่มาสร้างเป็นแบบจำลองในคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์แบบแผนในการส่งกระแสประสาทของระบบรับสัมผัส และทำนายพฤติกรรมการตอบสนองต่อสิ่งเร้า

ซึ่งในงานนี้ ทางทีมใช้สิ่งเร้าสองชนิดนั่นคือสิ่งเร้าที่มีรสหอมหวาน และสิ่งเร้าที่มีรสขม

พวกเขาเผยในเปเปอร์ของพวกเขาว่าแบบจำลองในคอมพิวเตอร์ที่พวกเขาลองทำขึ้นมานั้นสามารถทำนายพฤติกรรมแมลงหวี่ได้อย่างถูกต้องแม่นยำมากถึง 90 เปอร์เซ็นต์

ผลที่ได้เป็นไปตามที่คาด สิ่งเร้ารสหวานจะกระตุ้นการส่งสัญญานในสมองเพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาทสั่งการ (motor neuron) ที่ทำให้แมลงหวี่ยืดงวงเพื่อดูดน้ำหวานออกมา

ในขณะที่สิ่งเร้าที่มีรสขมจะไม่กระตุ้นให้แมลงหวี่ตอบสนองใดๆ

ทำนายได้เป๊ะขนาดนี้ก็น่าตื่นเต้นแล้ว

“เป็นอีกหนึ่งก้าวที่ยิ่งใหญ่ แต่แน่นอนว่านี่ยังไม่ใช่ตอนอวสาน” เดวิกล่าว…

วงการนี้ยังอีกยาวไกล ภาคต่อไป สนุกแน่นอน รอลุ้น…

https://twitter.com/matichonweekly/status/1552197630306177024

อ่านข่าวต้นฉบับได้ที่ : เข้าใจ “สมอง” กับน้อง “แมลงหวี่”

ติดตามข่าวล่าสุดได้ทุกวัน ที่นี่
– Website : https://www.matichonweekly.com