7 การค้นพบทางประสาทวิทยาศาสตร์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดในปี 2021

ความก้าวหน้าทางด้านประสาทวิทยาศาสตร์นั้นน่าตื่นเต้นและเกิดขึ้นอย่างไม่หยุดยั้งทุกปี ตั้งแต่สมองจำลองขนาดเล็กที่เพาะเลี้ยงในห้องทดลอง ไปจนถึงปัญญาประดิษฐ์ที่ไขความลับทางวิวัฒนาการของสมองมนุษย์ ขอเชิญพบกับ 7 ความก้าวหน้าที่น่าทึ่งที่สุดในปี 2021 นี้.

การรักษาภาวะซึมเศร้ารุนแรงด้วยการกระตุ้นสมองส่วนลึกแบบปรับได้

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก ประสบความสำเร็จในการพัฒนาวิธี การกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) เพื่อรักษาอาการซึมเศร้าแบบเฉพาะเจาะจงเมื่ออาการปรากฏขึ้น การกระตุ้นสมองส่วนลึกเกี่ยวข้องกับการฝังอิเล็กโทรดไว้ในสมองเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าไปเปลี่ยนแปลงการทำงานของสมอง

การศึกษาในอดีตประสบความสำเร็จอย่างจำกัดในการรักษาโรคซึมเศร้าด้วยการกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) เนื่องจากอุปกรณ์สามารถส่งกระแสไฟฟ้ากระตุ้นอย่างต่อเนื่องได้เฉพาะในบริเวณเดียวของสมองเท่านั้น อย่างไรก็ตาม โรคซึมเศร้าสามารถส่งผลกระทบต่อบริเวณต่างๆ ของสมอง และสัญญาณประสาทของโรคซึมเศร้าสามารถเปลี่ยนแปลงขึ้นลงได้อย่างคาดเดาไม่ได้.

ด้วยเป้าหมายหลักในการสร้างเครื่องกระตุ้นหัวใจสำหรับสมอง นักวิทยาศาสตร์ได้ถอดรหัสตัวบ่งชี้ทางชีวภาพของระบบประสาทตัวใหม่ รูปแบบกิจกรรมของสมองที่เฉพาะเจาะจงนี้สามารถทำนายการเริ่มมีอาการได้อย่างมีประสิทธิภาพ ด้วยความรู้ดังกล่าว ทีมงานจึงปรับแต่งเทคโนโลยี DBS ใหม่ที่จะทำงานเฉพาะเมื่อและในตำแหน่งที่ตรวจพบรูปแบบนั้นเท่านั้น.

การบำบัดแบบอัตโนมัติตามความต้องการนี้เป็นสิ่งที่น่าประทับใจ เพราะการตอบสนองเชิงฟังก์ชันนั้นมีความเฉพาะเจาะจงทั้งต่อสมองของผู้ป่วยและวงจรประสาทที่ก่อให้เกิดโรค ในการทดลองครั้งแรก วิธีการกระตุ้นสมองส่วนลึกแบบกำหนดเองนี้ได้รับการทดสอบกับผู้ป่วยที่ทุกข์ทรมานจากภาวะซึมเศร้ารุนแรงและประสบความสำเร็จอย่างยอดเยี่ยม อาการของผู้ป่วยดีขึ้นเกือบจะในทันที และเป็นเช่นนั้นต่อเนื่องในระยะยาว.

ในยุคโควิดที่ความวิตกกังวลและปัญหาสุขภาพจิตกำลังแพร่หลาย วิธีการนี้อาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นวิธีการรักษาที่ไม่ใช้ยาที่มีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับผู้คนหลายร้อยล้านคน.

เกินกว่าขีดจำกัดการได้ยินของมนุษย์

เช่นเดียวกับคลื่นแสง มนุษย์สามารถรับรู้คลื่นเสียงที่เดินทางรอบตัวเราได้เพียงช่วงความถี่แคบๆ เท่านั้น โดยทั่วไปแล้วเราจะรับรู้ได้เฉพาะความถี่ระหว่าง 20 เฮิรตซ์ ถึง 20,000 เฮิรตซ์ เท่านั้น ความถี่ที่สูงกว่านี้จะถือว่าเป็นคลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งเป็นช่วงความถี่ที่สัตว์ต่างๆ เช่น ค้างคาว ใช้ในการดำเนินชีวิต และเป็นช่วงความถี่ที่ใช้ในการสแกนทางการแพทย์ด้วยคลื่นอัลตราซาวนด์ด้วย.

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย Aalto ได้คิดค้นวิธีการใหม่โดยใช้เทคโนโลยีขั้นสูง ซึ่งนำไปสู่การสร้างอุปกรณ์ที่ ช่วยให้มนุษย์มีประสาทการได้ยินในระดับเดียวกับค้างคาวโดยไม่เพียงแต่สามารถได้ยินความถี่ที่สูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์เท่านั้น แต่ยังสามารถแยกแยะทิศทางและระยะห่างของแหล่งกำเนิดเสียงได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น สำหรับนักชีววิทยา อุปกรณ์นี้ช่วยให้สามารถติดตามค้างคาวที่บินอย่างเงียบเชียบ และระบุตำแหน่งของพวกมันได้

หลักการทำงานคือการบันทึกคลื่นอัลตราซาวนด์ผ่านชุดไมโครโฟนทรงกลม ซึ่งตรวจจับเสียงอัลตราโซนิกและใช้คอมพิวเตอร์แปลงระดับเสียงเป็นความถี่ที่หูได้ยิน จากนั้นจึงเล่นคลื่นเสียงที่แปลงแล้วผ่านหูฟังแบบเรียลไทม์ ความสามารถในการรับรู้เสียงที่ปกติแล้วหูไม่ได้ยินนั้นอาจมีประโยชน์อย่างมากในอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น การได้ยินและระบุตำแหน่งการรั่วไหลของก๊าซที่ปกติแล้วไม่มีเสียง.

ปัญญาประดิษฐ์เรียนรู้การดมกลิ่นด้วยตนเองในแบบเดียวกับที่มนุษย์ทำ

แม้ว่าประสาทวิทยาศาสตร์จะเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่ค่อนข้างใหม่และเติบโตอย่างรวดเร็ว แต่ปัญญาประดิษฐ์ (AI) นั้นใหม่กว่ามากและเติบโตเร็วกว่ามาก ศักยภาพของการผสมผสานสองสาขาวิทยาศาสตร์นี้ได้รับ การเปิดเผยโดยนักวิจัยจากMIT

จากการใช้การเรียนรู้ของเครื่องจักร นักวิจัยค้นพบว่าโครงข่ายประสาทเทียมสามารถเรียนรู้การดมกลิ่นได้ด้วยตนเองในเวลาเพียงไม่กี่นาที ซึ่งเลียนแบบวงจรการดมกลิ่นในสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมได้อย่างแท้จริง นี่เป็นเรื่องที่สำคัญมาก เพราะอัลกอริทึมที่นำมาใช้ไม่มีความรู้เกี่ยวกับการวิวัฒนาการนับล้านปีที่จำเป็นต่อการพัฒนาการรับกลิ่นทางชีววิทยาเลย.

แต่ที่น่าทึ่งก็คือ เครือข่ายประสาทเทียมสามารถจำลองกิจกรรมทางชีวภาพของการดมกลิ่นได้อย่างใกล้เคียงมาก จนเผยให้เห็นว่าเครือข่ายการดมกลิ่นของสมองได้รับการปรับให้เหมาะสมทางคณิตศาสตร์เพื่อการทำงานของมัน.

การจำลองโครงสร้างวงจรธรรมชาติในสมองอย่างแม่นยำด้วยระบบการเรียนรู้ของเครื่องจักรแบบอิสระ อาจเป็นสัญญาณบ่งบอกถึงยุคใหม่ที่ปัญญาประดิษฐ์จะสอนเราถึงความลับภายในของการวิวัฒนาการทางชีววิทยา การรับรู้กลิ่นเป็นจุดเริ่มต้นในปี 2021 แต่ใครจะรู้ว่าสิ่งนี้จะนำไปสู่สิ่งใดได้บ้าง…

อุปกรณ์ประสาทเทียมเปลี่ยนความคิดให้เป็นประโยคในผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตอย่างรุนแรง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานฟรานซิสโก ได้พัฒนา อุปกรณ์ช่วยพูดชนิดใหม่ สำหรับผู้ป่วยที่เป็นอัมพาตที่ไม่สามารถพูดได้ วิธีการนี้ได้รับการสาธิตว่าประสบความสำเร็จในผู้ชายคนหนึ่งที่มีก้านสมองเสียหายอย่างรุนแรงจนเป็นอัมพาตทั้งตัว

ที่น่าทึ่งคือ มันทำงานโดยการตรวจจับสัญญาณสมองที่เกี่ยวข้องกับการพูด ซึ่งควบคุมเส้นเสียง เมื่อเราพูด เส้นเสียงต้องการคำสั่งการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนเพื่อออกเสียงต่างๆ ที่เราใช้ในการสนทนา แม้ว่าจะไม่สามารถขยับได้ สัญญาณเหล่านี้ก็ยังสามารถส่งจากสมองได้.

นักวิทยาศาสตร์ใช้การบันทึกการทำงานของสมองจากผู้ป่วยโรคลมชัก เพื่อพัฒนาระบบถอดรหัสคำสั่งไปยังกล้ามเนื้อที่ใช้ในการออกเสียงแบบเรียลไทม์ ให้เป็นคำพูด จากรูปแบบการทำงานของระบบประสาทเหล่านี้ พวกเขาสามารถแยกแยะคำศัพท์ทั่วไป 50 คำได้อย่างแม่นยำทุกครั้งที่ผู้ป่วยกำลังคิดถึงคำเหล่านั้น.  

สิ่งที่จำเป็นก็คือให้ผู้ป่วยสวมชุดอิเล็กโทรดความหนาแน่นสูงเพื่อจับและบันทึกกิจกรรมทางประสาท ซึ่งบันทึกสัญญาณจากเปลือกสมองส่วนควบคุมการพูด วิธีนี้ทำให้สามารถแปลได้ถึง 18 คำต่อนาทีด้วยความแม่นยำ 93% ข้อดีสำหรับผู้ป่วยก็คือ เขาเพียงแค่ต้องทำตัวเหมือนกำลังพูดจริงๆ และเขาสามารถสื่อสารประโยคต่างๆ ได้หลายร้อยประโยคจากคำศัพท์ 50 คำ.

แม้ว่าความก้าวหน้านี้ดูเหมือนจะจำกัดอยู่เฉพาะผู้ป่วยที่เป็นอัมพาต แต่เราก็ประสบกับภาวะอัมพาตทุกคืนขณะฝัน (เว้นแต่เราจะเดินละเมอ) หากพัฒนาไปได้มากพอ วิธีการนี้อาจปูทางไปสู่การแปลความคิดของเราขณะนอนหลับได้!

สมองจำลองของมนุษย์ที่มีการพัฒนาด้วยกิจกรรมทางประสาทที่ซับซ้อน

ในทางเทคนิคเรียกว่า 'ออร์แกนอยด์สมอง' หรือสมองขนาดเล็ก ซึ่งสามารถเพาะเลี้ยงได้จาก เซลล์ต้นกำเนิดแบบเหนี่ยวนำให้เป็นเซลล์ต้นกำเนิดที่มีศักยภาพหลายอย่าง (induced pluripotentstem cells) เซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้สามารถนำมาจากผิวหนังหรือเลือดของบุคคล และมีศักยภาพที่จะเปลี่ยนไปเป็นเซลล์ชนิดใดก็ได้ ประโยชน์ก็คือ โครงสร้างของเซลล์ที่ปกติเข้าถึงได้ยากมาก สามารถเพาะเลี้ยงและแยกออกมาเพื่อการศึกษาได้ในทางทฤษฎี ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับสมอง อย่างไรก็ตาม สมองขนาดเล็กในอดีตมีโครงสร้างการทำงานที่จำกัด

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของนักวิทยาศาสตร์ที่ UCLA ในปีนี้ ได้ยกระดับความซับซ้อนของโครงสร้างไปอีกขั้น โดยการเพาะเลี้ยงกลุ่มของออร์แกนอยด์เพื่อสร้างโครงสร้างสมองสามมิติที่ซับซ้อน นักวิจัยได้นำเซลล์ต้นกำเนิดจากผู้ป่วยที่เป็นโรคเร็ตต์ (ภาวะที่มีอาการชัก) และสามารถเพาะเลี้ยงสมองขนาดเล็กที่มีการทำงานคล้ายกับส่วนต่างๆ ของสมองมนุษย์ ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถสังเกตแบบแผนของกิจกรรมทางไฟฟ้าที่คล้ายกับการเริ่มต้นของอาการชักได้อย่างปลอดภัยและประสบความสำเร็จ

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่า บางแง่มุมของการทำงานของสมองสามารถแยกและศึกษาได้ในห้องปฏิบัติการจนถึงระดับเซลล์ที่มีชีวิตแต่ละเซลล์ ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือ สมองขนาดเล็กเหล่านี้สามารถเพาะเลี้ยงเพื่อจำลองแง่มุมต่างๆ ของการทำงานของสมองทั้งในภาวะปกติและภาวะที่เป็นโรค รวมถึงใช้ทดสอบยาและการรักษาโดยไม่มีความเสี่ยงต่อมนุษย์หรือสัตว์.

สมองของมนุษย์มีขนาดใหญ่มาก ดังนั้นจึงยังมีข้อจำกัดที่ชัดเจนในแง่ของความซับซ้อนของโครงสร้างสมองที่สามารถศึกษาได้ แต่เห็นได้ชัดว่าสาขาวิทยาศาสตร์ประสาทที่กำลังเกิดขึ้นใหม่นี้มีศักยภาพราวกับนิยายวิทยาศาสตร์.

'นิวโรเกรน' ถูกนำมาใช้ในการพัฒนาอินเทอร์เฟซระหว่างสมองและคอมพิวเตอร์รุ่นใหม่

ด้วยการเติบโตอย่างก้าวกระโดดของพลังการประมวลผลในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา ไมโครชิปจึงมีขนาดเล็ลงเรื่อยๆ ทุกปี นักวิทยาศาสตร์ด้านประสาทวิทยาที่มุ่งเน้นเทคโนโลยีจากมหาวิทยาลัยบราวน์ ได้พัฒนาคอมพิวเตอร์ไร้สายขนาดเล็กมากจนตาเปล่าอาจมองไม่เห็น โดยตั้งชื่อว่า "นิวโรเกรน" (Neurograins) เนื่องจากมีขนาดประมาณเท่าเมล็ดเกลือ และถูกพัฒนาขึ้นเพื่อติดตามและตรวจสอบกิจกรรมของสมอง  

คอมพิวเตอร์ขนาดจิ๋วเหล่านี้สามารถบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าจากเซลล์ประสาทที่อยู่ใกล้เคียง และส่งข้อมูลแบบไร้สายได้ เป้าหมายคือการพัฒนาระบบเชื่อมต่อสมองกับคอมพิวเตอร์ (BCI) รูปแบบใหม่ โดยที่เครือข่ายของเซ็นเซอร์ขนาดเล็กเหล่านี้สามารถติดตามกิจกรรมของสมองในแง่มุมที่สำคัญ และส่งข้อมูลไปยังศูนย์กลางที่อยู่ใกล้เคียงได้.

ในการทดลองเพื่อพิสูจน์แนวคิด นักวิจัยได้ใช้เครือข่ายเพื่อบันทึกกิจกรรมทางประสาทของสัตว์ฟันแทะได้อย่างแม่นยำกว่าที่เคยทำได้มาก่อน การบันทึกสัญญาณสมองในรายละเอียดที่ไม่เคยมีมาก่อนนี้ แม้จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มที่ดีมากที่จะสามารถแปลงคลื่นสมองให้เป็นการกระทำที่มีประโยชน์ในโลกแห่งความเป็นจริงได้โดยไม่ต้องใช้ความพยายามทางกายภาพใดๆ.

การฟื้นฟูการมองเห็นให้แก่ผู้ที่ตาบอดสนิท

ชนิดใหม่ ไมโครอิเล็กโทรดอาร์เรย์ มีการใช้ ได้สร้างอุปกรณ์ดังกล่าวขึ้น เพื่อบันทึกและกระตุ้นกิจกรรมของเซลล์ประสาทภายในเปลือกสมองส่วนการมองเห็น

อุปกรณ์นี้ถูกฝังไว้ในดวงตา รับข้อมูลภาพผ่านแว่นตาที่มีกล้องวิดีโอขนาดเล็ก จากนั้นข้อมูลจะถูกประมวลผลโดยซอฟต์แวร์เฉพาะทาง อุปกรณ์จะกระตุ้นเซลล์ประสาทในจอประสาทตาให้สร้างแสงวาบคล้ายกับว่ากำลังรับจุดแสง ซึ่งจะช่วยให้จิตใจรับรู้ภาพพื้นฐานของเส้นและรูปทรงได้.

จากการทดลองกับผู้ป่วยตาบอดสนิท วิธีการนี้พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพ และไม่มีภาวะแทรกซ้อนจากการผ่าตัดหรือการกระตุ้นเซลล์ประสาท ในการทดสอบครั้งแรกนี้ ใช้เพียงอาร์เรย์เดียว อย่างไรก็ตาม เป้าหมายต่อไปคือการใช้อาร์เรย์ 7 ถึง 10 ชุด เพื่อให้ได้ภาพที่มีรายละเอียดมากขึ้น ซึ่งจะช่วยให้คนตาบอดสามารถนำทางในโลกด้วยการมองเห็นได้จริง.

การรักษาด้วยโมเลกุลแบบฉีดชนิดใหม่ ช่วยซ่อมแซมอาการบาดเจ็บรุนแรงของไขสันหลัง

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์นได้ประยุกต์ใช้ "โมเลกุลเต้นรำ" ชนิดใหม่เพื่อซ่อมแซมเนื้อเยื่อในผู้ที่ได้รับบาดเจ็บไขสันหลังอย่างรุนแรง และ ประสบความสำเร็จในการฟื้นฟูภาวะอัมพาตส่วนที่เป็นการเต้นรำนั้นเกี่ยวข้องกับการควบคุมการเคลื่อนไหวของโมเลกุลเหล่านี้ เพื่อให้พวกมันสามารถแทรกตัวเข้าไปในตัวรับเซลล์ที่ปกติเข้าถึงไม่ได้ เพื่อกระตุ้นให้เซลล์เหล่านั้นเริ่มซ่อมแซมเนื้อเยื่อประสาท

โมเลกุลที่ดูเหมือนมหัศจรรย์เหล่านี้ทำงานโดยการกระตุ้นสัญญาณต่อเนื่อง ทำให้แอกซอนงอกใหม่และช่วยให้เซลล์ประสาทอยู่รอดได้หลังได้รับบาดเจ็บโดยการส่งเสริมให้เซลล์ชนิดใหม่ ๆ เกิดขึ้นมากมาย ซึ่งในทางกลับกันก็ช่วยสนับสนุนการงอกใหม่ของหลอดเลือดที่สูญเสียไปซึ่งจำเป็นต่อการรักษาเซลล์.

จากการทดสอบในหนู พบว่าการฉีดโมเลกุลบำบัดเพียงครั้งเดียว ทำให้หนูที่เป็นอัมพาตสามารถเดินได้อีกครั้งภายในเวลาไม่ถึงสี่สัปดาห์ และที่น่าสนใจคือ 12 สัปดาห์ต่อมา (หลังจากที่ฟื้นตัวอย่างสมบูรณ์แล้ว) สารดังกล่าวจะย่อยสลายกลายเป็นสารอาหารสำหรับเซลล์โดยไม่มีผลข้างเคียงใดๆ และหายไปจากร่างกายตามธรรมชาติอย่างมีประสิทธิภาพ.

เทคโนโลยี VR นำเสนอวิธีการบำบัดเพื่อเอาชนะความกลัวความสูง

เทคโนโลยีความจริงเสมือน (VR) ถูกนำมาใช้โดยนักจิตวิทยาเชิงฟิสิกส์มานานหลายทศวรรษเพื่อศึกษาว่าเรารับรู้ข้อมูลทางประสาทสัมผัสอย่างไร ในปีนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบาเซิล ซึ่งเป็นมหาวิทยาลัยที่เก่าแก่ที่สุดในสวิตเซอร์แลนด์ ได้พัฒนา ปพลิเคชันความจริงเสมือนเพื่อใช้ในการรักษาอาการกลัวความสูงแอ

ที่ชื่อว่า Easyheightsซึ่งใช้งานได้กับสมาร์ทโฟน เป็นเครื่องมือบำบัดด้วยการเผชิญหน้ากับความกลัว โดยใช้ภาพ 360 องศาของสถานที่จริง ผู้ใช้สวมแว่น VR และยืนอยู่บนแท่นที่เริ่มต้นจากระดับความสูง 1 เมตรเหนือพื้นดิน จากนั้นจะค่อยๆ สูงขึ้นเรื่อยๆ เมื่อผู้ใช้ปรับตัวเข้ากับระดับความสูงแต่ละขั้นได้แล้ว หลักการทำงานคือการเพิ่มการรับรู้ทางประสาทสัมผัสเกี่ยวกับความสูงโดยไม่เพิ่มระดับความกลัว

การทดลองทางคลินิกแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของการรักษารูปแบบนี้ ซึ่งช่วยลดอาการกลัวความสูงในสถานการณ์จริงได้อย่างมีนัยสำคัญ และเห็นผลดีดังกล่าวได้จากการฝึกฝนที่บ้านเพียงแค่สี่ชั่วโมง การค้นพบนี้แสดงให้เห็นว่า การผสมผสานความรู้ด้านประสาทวิทยาศาสตร์กับเทคโนโลยีในปัจจุบัน สามารถช่วยพัฒนาคุณภาพชีวิตของผู้คนได้อย่างมีประสิทธิภาพและเข้าถึงได้ง่าย.

‍