หลังจากศึกษามานานกว่า 10 ปี ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ก็สามารถสร้างแผนที่รายละเอียด ‘สมอง’ ของแมลงวันผลไม้ได้อย่างสมบูรณ์ และพบว่ามีการเชื่อมต่อทั้งหมด 54.5 ล้านครั้งจากทั้งหมด 139,255 เซลล์ประสาท ทำให้นี่เป็นตัวอย่างสมองที่ครบถ้วนครั้งแรกสุดประวัติศาสตร์

งานวิจัยระบุว่า เซลล์ทั้งหมดเชื่อมโยงกันเพื่อให้สิ่งมีชีวิตชนิดนี้สามารถบิน ผสมพันธุ์ กิน นอน และทำกิจกรรมอื่น ๆ ในแต่ละวัน เมื่อนำทั้งหมดมาเรียงต่อกันก็จะมีความยาว 149.2 เมตร ซึ่งยาวพอ ๆ กับวาฬสีน้ำเงิน 4 ตัวเรียงต่อกัน

“มีหลักการพื้นฐานมากมายเกี่ยวกับการทำงานของสมองที่เราสามารถเรียนรู้ได้จากการศึกษาสมองของแมลงวัน” มาลา มูร์ธี (Mala Murthy) ศาสตราจารย์ด้านประสาทวิทยาแห่งมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน และผู้อำนวยการร่วมของโครงการ ‘FlyWire’ กล่าวและว่า “นี่เป็นครั้งแรกที่เราแผนที่สมองที่ซับซ้อนอย่างสมบูรณ์”

ตามรายงานใหม่ที่เผยแพร่บนวารสาร Nature ได้เผยให้เห็นรายละเอียดที่น่าทึ่งของสิ่งมีชีวิตเล็ก ๆ ที่เรียกว่าแมลงวันผลไม้ (Drosophila melanogaster) ซึ่งแม้ว่าสมองของมันจะมีขนาดเท่ากับเมล็ดป๊อปปี้ แต่ทว่าก็เต็มไปด้วยเซลล์ประสาทประเภทต่าง ๆ มากมายกว่า 8,000 ประเภท

การศึกษาสิ่งเหล่านี้นจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปรียบเทียบการเชื่อมโยงในสมองของสปีชีส์อื่น ๆ ได้ รวมถึงมนุษย์ที่มีเซลล์ประสาทมากกว่า 86,000 ล้านเซลล์ โดยทั้่งหมดตั้งอยู่บนหลักการพื้นฐานเดียวกัน

“หากเราเข้าใจได้ว่าอะไรทำให้ผึ้งมีความฉลาดมากกว่าแมลงวันผลไม้ เมื่อนั้นเราก็จะบอกได้หลายอย่างว่าอะไรทำให้มนุษย์มีความฉลาดมากกว่าหนูมาก” เจอร์รี รูบิน (Gerry Rubin) จากสถาบันวิจัยชีววิทยาขั้นสูงเจเนเลีย รีเสิร์ช แคมปัส(Janelia Research Campus) ของสถาบันโฮเวิร์ด ฮิวจ์ส เมดิคัล (Howard Hughes Medical Institute) กล่าว

สมองเล็ก ๆ ที่ทำหลายอย่าง

ก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์เคยสร้างแผนภาพการเชื่อมต่อของระบบประสาทในไส้เดือนตัวกลม และตัวอ่อนของแมลงวันผลไม้มากแล้ว แต่สิ่งมีชีวิตดังกล่าวนั้นมีรูปแบบที่เรียบง่ายและแตกต่างจากสิ่งมีชีวิตซับซ้อนชนิดอื่น ๆ ซึ่งมีเซลล์ประสาทเพียง 385 เซลล์เท่านั้น

ดังนั้นพวกเขาจึงต้องการอะไรที่มีโครงสร้างคล้ายกับสมองมนุษย์มากกว่านี้ และตัวเลือกที่ดีที่สุดก็คือ แมลงวันผลไม้ ซึ่งเป็นสิ่งมีชีวิตที่ถูกนำมาทดลองทางวิทยาศาสตร์อยู่บ่อยครั้งเนื่องจากพวกมันเพาะพันธุ์ง่ายและมีพฤติกรรมที่ชัดเจน

ทว่าก็ยังสามารถทำพฤติกรรมซับซ้อนหลายอย่างได้เช่น บิน ต่อสู้ หรือแม้กระทั่งการเกี้ยวพาราสี เช่น เมื่อตัวผู้รู้สึกว่าตัวเมียตัวนี้อาจมีเป็นคู่ครองของมันในอนาคต มันก็จะ ‘ร้องเพลง’ อิมโพรไวซ์ออกมาตามคำกล่าวของ มูร์ธี

“มันเลือกเพลงที่จะร้องตามเสียงตอบรับที่ได้จากแมลงวันผลไม้ตัวเมีย และมันจะเล่นโน้ตตามพฤติกรรมของตัวเมียนััน” เธอกล่าว

ทั้งหมดเกิดขึ้นในสมองที่มีเซลล์ประสาทอยู่ 139,255 เซลล์ซึ่งน้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับมนุษย์ แต่การเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ก็จะให้เบาะแสว่าขณะที่ทำพฤติกรรมบางอย่าง สมองเกิดกระบวนการอะไรขึ้นบ้าง นั่นเป็นวิธีเข้าใจสมองสิ่งมีชีวิตซับซ้อนได้ดีที่สุด

“หากคุณพยายามหาคำตอบว่าสมองสร้างการรับรู้ ความคิด และการกระทำได้อย่างไร คุณต้องเข้าใจจริง ๆ ว่าข้อมูลไหลจากตัวรับความรู้สึกไปยังข้อมูลขาออก (Output) ของสมองได้อย่างไร” มูร์ธี กล่าว

ดังนั้นเธอและเพื่อนร่วมงานจึงลงมือศึกษาการทำงานของสมองรวมถึงพยายามเข้าใจว่า ‘การเชื่อมต่อที่ผิดผลาด’ นำไปสู่ภาวะผิดปกติในสถานการณ์ต่าง ๆ ได้อย่างไรตั้งแต่โรคลมบ้าหมู ออทิซึม รวมถึงไปโรคจิตภทและอัลไซเมอร์

สมองที่เคลื่อนไหว

การทำแผนที่เริ่มขึ้นในปี 2013 เมื่อ ดาวี บ็อคก์ (Davi Bock) นักประสาทวิทยาที่สถาบันวิจัยชีววิทยาขั้นสูงเจเนเลีย รีเสิร์ช แคมปัส ได้จุ่มสมองของแมลงวันผลไม้ตัวเต็มวัยลงในอ่างสารเคมี ซึ่งทำให้สมองของมันแข็งตัวเป็นก้อน จากนั้นก็ทำการขูดเป็นชั้นบาง ๆ และใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อถ่ายภาพ

พวกเขาขูดกันอีกชั้นและถ่ายภาพอีกรอบ ครั้งแล้วครั้งเล่าผ่านไป ทีมวิจัยก็ได้ภาพสมองทั้งหมด 21 ล้านภาพจากสมองส่วนต่าง ๆ 7,050 ส่วน จากนั้นพวกเขาก็พัฒนาซอฟต์แวร์เพื่อตีความภาพเหล่านี้ ด้วยการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ให้จดจำส่วนตัดขวางของเซลล์ประสาทในแต่ละภาพ แล้วให้นำมาซ้อนกันเป็นรูปร่าง 3 มิติของเซลล์

“หากคุณต้องการวาดเส้นสายของสมอง คุณต้องระบายสีให้ตรงตามเส้น” ดร. เซบาสเตียน ซึง (Sebastian Seung) หัวหน้าโครงการจากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน กล่าว “แต่สมุดระบายสีเล้มนั้นใหญ่โตมากจนต้องใช้เวลาหลายหมื่นปีกว่าที่คนคนเดียวจะระบายสีได้หมด”

แต่ด้วยความช่วยเหลือจากปัญญาประดิษฐ์หรือ เอไอ ทีมวิจัยก็สามารถย่นระยะเวลาได้มากโข แต่ก็ยังใช้เวลา ‘หลายปี’ อยู่เช่นเดิม เนื่องจากกระบวนการเรียนรู้ของเอไอที่ต้องคอยปรับแก้ข้อผิดพลาดอยู่เสมอ ๆ

แต่ด้วยความพยายามอย่างไม่ย่อท้อ นักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนก็ร่วมมือกันสร้างสมองที่สมบูรณ์ที่สุดได้สำเร็จ ซึ่งมีการเชื่อมต่อกว่า 54.5 ล้านครั้ง ในที่สุดทีมวิจัยก็ได้มองเห็นสมองที่กำลังเคลื่อนไหวอยู่ ผ่านการติดตามเซลล์ประสาทในแผนที่ดังกล่าว

ตัวอย่างเช่น เมื่อแมลงวันผลไม้หยุดเดิน นักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าวงจรเซลล์ประสาทกลุ่มหนึ่งได้บล็อกสัญญาณคำสั่งเดินในขั้นแรก และวงจรที่สองก็ได้หยุดแมลงวันด้วยการทำให้ข้อต่อขาของสิ่งมีชีวิตแข็งขึ้น หรือไม่ก็ในสถานการณ์ที่แมลงวันต้องการกินอาหาร สัญญาณประสาทก็จะวิ่งไปตามเส้นทางเพื่อสั่งปากที่ม้วนอยู่ของมันให้คลายออก

“คุณเริ่มต้นด้วยการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาท แล้วใช้การเชื่อมต่อนั้นเพื่อช่วยสร้างการจำลองเครือข่าย” ดร. ซึง กล่าว “มันเป็นแนวทางที่ชัดเจนมาก แต่คุณไม่สามารถทำได้หากไม่มีจุดเชื่อมต่อ”

ในขั้นต่อไปทีมวิจัยต้องการที่จะใช้แผนที่สมองดังกล่าวตรวจสอบกฎพื้นฐานของสมองที่ซับซ้อน เช่น การเชื่อมต่อของเซลล์ประสาทช่วยให้สัญญาณแพร่กระจายไปทั่วสมองอย่างรวดเร็วได้อย่างไร แต่พวกเขาก็ยังระลึกไว้เสมอว่าสมองที่ใหญ่กว่าอาจไม่ปฏิบัติตามกฎนี้ทั้งหมดเหมือนกัน

โครงการศึกษานี้จะเสร็จสมบูรณ์อย่างแท้จริงเมื่อนักวิทยาศาสตร์เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่า “สมองน้อย ๆ นี้ควบคุมพฤติกรรมของแมลงวันอย่างไร ในการเคลื่อนไหวบนอากาศที่น่าอัศจรรย์ ค้าหาคู้ครอง และต่อสู้กับคู่แข่ง” รูบิน กล่าว

สืบค้นและเรียบเรียง : วิทิต บรมพิชัยชาติกุล

ภาพ : Tyler Sloan for FlyWire, Princeton University, (Dorkenwald et al/Nature, 2024)

ที่มา

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07558-y

https://www.sciencenews.org/article/fruit-fly-brain-connections-traced

https://www.nytimes.com/2024/10/02/science/fruit-fly-brain-mapped.html

https://www.npr.org/2024/10/02/nx-s1-5124734/fruit-fly-brain-connectome-neurons

อ่านเพิ่มเติม : เพื่อนบ้านใหม่ของโลก เผยมินิมูนชั่วคราวที่ท้าทายนิยามดวงจันทร์