9 ความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางด้านประสาทวิทยาศาสตร์ในปี 2020

แม้ว่าจะเป็นปีที่ยากลำบากสำหรับวิทยาศาสตร์หลายสาขา แต่ ยุคทองของประสาทวิทยาศาสตร์ ยังคงเจริญรุ่งเรืองอย่างรวดเร็วตลอดปี 2020 โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความก้าวหน้าครั้งสำคัญมากมายที่เหมือนหลุดมาจากนิยายวิทยาศาสตร์ เช่น การทำแผนที่สมอง การพัฒนาที่สำคัญในการปรับปรุงสุขภาพของมนุษย์ในวัยชรา และการเริ่มต้นยุคใหม่ของประสาทวิทยาศาสตร์ที่ใช้ปัญญาประดิษฐ์ (AI) มาดูกันว่า 9 การค้นพบทางประสาทวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดของปีที่ผ่านมามีอะไรบ้าง

1. การสร้างแผนที่การทำงานของสมองแบบ 3 มิติแบบเรียลไทม์

เมื่อต้นปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์จาก MIT ได้พัฒนา เทคนิคใหม่ ในการเชื่อมโยงการทำแผนที่โครงสร้าง (กายวิภาคของสมอง) กับการทำแผนที่การทำงาน (พฤติกรรมของสมอง) ซึ่งเป็นครั้งแรกที่มีการทำได้อย่างถูกต้อง ยิ่งไปกว่านั้น การทดลองนี้ได้ดำเนินการในหนูทดลองที่มีชีวิต โดยทำการทำแผนที่ในบริเวณต่างๆ ของสมองหนูแบบเรียลไทม์ วิดีโอนี้แสดงให้เห็นถึงความน่าทึ่งของการเชื่อมโยงระหว่างโครงสร้างสมองและกิจกรรมที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามการตอบสนองต่อภาพต่างๆ ที่หนูทดลองได้รับชม

เทคนิคที่ล้ำสมัยนี้เป็นการผสมผสานกล้องจุลทรรศน์สามโฟตอนแบบสร้างฮาร์มอนิกที่สาม (THG) เข้ากับ การทำแผนที่เรตินาโทปิกทำให้สามารถสังเกตกิจกรรมในเนื้อเยื่อสมองส่วนลึกได้ผ่านทางสัญญาณไฟฟ้า

นอกจากนี้ยังให้ความละเอียดภาพที่น่าทึ่ง ทำให้สามารถศึกษาเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์และโครงสร้างย่อยของเซลล์เหล่านั้น รวมถึงหลอดเลือดขนาดเล็กและ ไมอีลิน ซึ่งเป็นฉนวนชนิดหนึ่งที่ทราบกันดีว่าเป็นปัจจัยสำคัญต่อความเร็วในการประมวลผลของสมอง  

การศึกษานี้มุ่งเน้นไปที่ศูนย์รับภาพในสมอง แต่สามารถใช้วิธีเดียวกันนี้ในการศึกษาบริเวณอื่นๆ ได้ วิธีการนี้มีแนวโน้มที่จะเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างสภาวะสมองที่แข็งแรงและสมองที่เป็นโรค รวมถึงวิธีที่สมองตอบสนองต่อสิ่งเร้าจากสิ่งแวดล้อม.

2. การมองเห็นกระบวนการตัดสินใจที่เกิดขึ้นในสมอง

มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดประสบความสำเร็จครั้งสำคัญด้วย กล้องจุลทรรศน์แบบสองโฟกัส เทคนิค COSMOSงานวิจัยของพวกเขาบันทึกภาพเคลื่อนไหวของกิจกรรมทางประสาททั่วทั้งเปลือกสมองของหนูทดลอง

สัญญาณเหล่านี้ถูกบันทึกโดยการถ่ายภาพสมองจากสามมุมที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงใช้การประมวลผลทางคอมพิวเตอร์เพื่อแยกสัญญาณออกมาเป็นวิดีโอสดของกิจกรรมระดับมหภาคในซีกสมองซ้ายและขวา นี่คือตัวอย่างที่คุณจะได้เห็นพายุไฟฟ้าอันน่าทึ่งของสมองจริง ๆ ขณะกำลังทำงาน.

เนื่องจาก สมองส่วนคอร์เทกซ์ ทำหน้าที่ประมวลผลทางปัญญาที่ซับซ้อนในระดับสูง พฤติกรรมที่ดูลึกลับซับซ้อน เช่น กระบวนการตัดสินใจ จึงเริ่มที่จะถูกไขปริศนาได้ในภาพรวม ตัวอย่างเช่น การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างการตัดสินใจที่ขึ้นอยู่กับการรับรู้ทางประสาทสัมผัสและการทำงานของกล้ามเนื้อ (ลองนึกถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการตัดสินใจว่าจะหลบรถที่กำลังวิ่งเข้ามาทางไหน)

นักวิจัยยังคาดหวังว่า COSMOS จะเป็นวิธีการต้นทุนต่ำสำหรับการคัดกรองผลกระทบของยาทางจิตเวช เพื่อให้สามารถพัฒนายาเหล่านั้นให้มีประสิทธิภาพในการใช้งานมากขึ้น.

3. ความก้าวหน้าด้านการนอนหลับสำหรับสมองเทียม

ดังที่เราได้กล่าวถึงใน บล็อกก่อนหน้านี้ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของ Deep Mind มาจากการจำลองคอลัมน์นีโอคอร์เท็กซ์ของสมองมนุษย์ ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มพูนสติปัญญาอย่างมหาศาลโดยใช้พลังการประมวลผลเพียงเศษเสี้ยวเดียว ส่งผลให้ AI ที่จำลองแบบมนุษย์นี้สามารถเอาชนะผู้เล่นหมากรุก หมากล้อม และอีสปอร์ตที่ดีที่สุดในโลกได้แล้ว

แม้จะยังไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ แต่การนอนหลับมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อสมองของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและมนุษย์ โดยจะเกิดปัญหาอย่างร้ายแรงเมื่อใดก็ตามที่ ร่างกายขาดการนอน หลับ ในปีนี้ ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลาโมสได้ค้นพบว่าเครือข่ายการคำนวณแบบสไปค์ของระบบ AI ก็ประสบกับภาวะขาดการนอนหลับเช่นกัน โดยจะทำงานไม่เสถียรเมื่อทำงานเป็นเวลานานโดยไม่พักผ่อน อย่างไรก็ตาม เมื่อปรับเครือข่ายให้อยู่ในสถานะที่คล้ายกับคลื่นสมองที่เราประสบในระหว่างการนอนหลับ ประสิทธิภาพการทำงานที่ดีที่สุดก็จะกลับคืนมา

เรื่องนี้อาจฟังดูไม่สำคัญนัก แต่ความก้าวหน้าในด้านปัญญาประดิษฐ์มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงวิถีชีวิตของเราทุกคน ผลการวิจัยยังชี้ให้เห็นว่า การผสมผสานระหว่างศาสตร์ด้านประสาทวิทยาศาสตร์และปัญญาประดิษฐ์ อาจนำไปสู่ยุคใหม่ของคอมพิวเตอร์อัจฉริยะขั้นสูง.

4. อุปกรณ์ฝังขนาดเล็กช่วยให้ผู้ป่วยอัมพาตสามารถควบคุมคอมพิวเตอร์ได้

เพื่อ เครื่องมือขนาดเล็กจิ๋วในสมอง ปรับปรุงคุณภาพชีวิตของผู้ป่วยที่มีภาวะอัมพาตแขนขาอย่างรุนแรงจากโรคเซลล์ประสาทสั่ง การ การทดลองนี้ ได้ฝังเทคโนโลยีขนาดเล็กใหม่นี้เข้าไปในสมองของผู้เข้าร่วมการ

อุปกรณ์ที่เรียกว่า Stentrode™ ถูกสอดเข้าไปทางช่องผ่าตัดเล็กบริเวณคอ และจากนั้นเคลื่อนไปยังบริเวณสมองส่วนควบคุมการเคลื่อนไหวผ่านทางหลอดเลือด วิธีการผ่าตัดเล็กนี้ช่วยหลีกเลี่ยงความเสี่ยงและภาวะแทรกซ้อนหลังการผ่าตัดสมองแบบเปิด.

อุปกรณ์ฝังในร่างกายนี้ใช้เทคโนโลยีไร้สายในการส่งสัญญาณกิจกรรมของเซลล์ประสาทเฉพาะไปยังคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะถูกแปลงเป็นคำสั่งตามความตั้งใจของผู้ป่วย น่าทึ่งมากที่ชิปขนาดเล็กนี้ช่วยให้ผู้ป่วยสามารถทำสิ่งต่างๆ เช่น คลิกและซูม และเขียนได้อย่างแม่นยำถึง 93% ช่วยให้พวกเขาสามารถทำสิ่งที่เรามองข้ามไปได้ เช่น การส่งข้อความ อีเมล และซื้อของออนไลน์.  

แม้จะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ลักษณะการรักษาที่ไม่รุกรานมากนักแสดงให้เห็นถึงศักยภาพอันยิ่งใหญ่ของเทคโนโลยีประสาทวิทยาระดับไมโครในการช่วยเหลือผู้ที่มีความบกพร่องทางสติปัญญาทุกประเภท.

5. นักประสาทวิทยาศาสตร์เปลี่ยนเซลล์ประสาทปกติให้กลายเป็นเซลล์ประสาทที่สามารถสร้างใหม่ได้

ในปี 2018 เราได้รายงาน ว่านักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้วิธีการเปลี่ยนเซลล์ต้นกำเนิดให้กลายเป็นเซลล์ประสาทเฉพาะชนิดแล้ว ในปีนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยต่างๆ ในสหรัฐอเมริกา 4 แห่ง ได้ก้าวไปอีกขั้นหนึ่งสู่เป้าหมายสูงสุดของการยืดอายุขัย โดยการระบุเครือข่ายยีนที่ควบคุมการสร้างเซลล์ใหม่ พวกเขาได้ ดัดแปลงเซลล์ปกติให้กลายเป็นเซลล์ต้นกำเนิดซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ชนิดใดก็ได้เพื่อทดแทนเซลล์ที่กำลังจะตาย

การทดสอบแนวคิดของพวกเขาดำเนินการโดยใช้เซลล์เกลียของปลาซีบรา โดยเปลี่ยนเซลล์เหล่านั้นให้กลายเป็นเซลล์ต้นกำเนิด ซึ่งสามารถตรวจจับและฟื้นฟูเซลล์จอประสาทตาที่เสียหายเพื่อฟื้นฟูการมองเห็นที่บกพร่องได้.

การตายของเซลล์ หรือ อะพอพโทซิสมีบทบาทสำคัญในกระบวนการชราตามธรรมชาติของมนุษย์ นักวิจัยเชื่อว่ากระบวนการสร้างเซลล์ประสาทใหม่ในสมองจะคล้ายคลึงกัน หากประสบความสำเร็จ จะส่งผลกระทบอย่างมากต่อภาวะต่างๆ เช่น โรคอัลไซเมอร์ ซึ่งสมองส่วนใหญ่ถูกทำลายจากการตายของเซลล์ประสาท นอกจากนี้ยังอาจมีบทบาทในการป้องกันผลข้างเคียงต่างๆ ของการชราตามธรรมชาติในสมอง เพื่อให้มีอายุยืนยาวและมีสุขภาพดีในวัยชรา

6. การป้องกันภาวะความเสื่อมของระบบประสาท

แทนที่จะทดแทนเซลล์ที่กำลังจะตาย นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยไฮเดลเบิร์กได้ระบุถึงกระบวนการสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการตายของเซลล์สมอง ซึ่งเรียกว่า ภาวะเสื่อมโดยการค้นพบกระบวนการที่ การดูดซึมกลูตาเมตของเซลล์ ช่วยป้องกันการตายของเซลล์ในคนที่มีสุขภาพดี แต่จะหยุดทำงานในภาวะที่เป็นโรค เช่น โรคหลอดเลือดสมอง ซึ่งทำให้ปริมาณออกซิเจนที่ส่งไปยังเซลล์สมองลดลง

โดยหลักแล้ว กลไกนี้ทำให้เซลล์ฆ่าตัวเองตายไป เนื่องจากไม่ได้รับสัญญาณทางเคมีที่ถูกต้องเพื่อบอกให้พวกมันมีชีวิตอยู่ต่อไป นักวิจัยจึงได้พัฒนาสารยับยั้งชนิดพิเศษที่สามารถเข้าไปยับยั้ง "กลไกการตายของเซลล์" ก่อนที่จะเกิดขึ้น.

สารยับยั้งเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า มีประสิทธิภาพสูง ในการปกป้องเซลล์ประสาท ซึ่งหวังว่าจะนำไปสู่ทางเลือกการรักษาแบบใหม่สำหรับโรคความเสื่อมของระบบประสาท

7. โรคพาร์กินสันเป็นหนึ่งในสองโรคที่แตกต่างกัน

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอาร์ฮุสได้ใช้เทคนิคการถ่ายภาพ PET และ MRI ขั้นสูงเพื่อเปิดเผยว่าโรคพาร์กินสันนั้นแท้จริงแล้วมีอยู่ รูปแบบที่แตกต่างกันสอง

ในรูปแบบหนึ่ง โรคจะเริ่มต้นที่ลำไส้ แล้วแพร่กระจายไปยังสมองผ่านทางเส้นประสาท ในอีกรูปแบบหนึ่ง โรคจะเริ่มต้นที่สมองก่อน แล้วจึงแพร่กระจายไปยังลำไส้และอวัยวะอื่นๆ วิดีโอนี้ให้ภาพรวมที่ดีมาก.

แม้ว่าจะไม่สามารถรักษาให้หายขาดได้ แต่ก็เป็นก้าวสำคัญในทิศทางที่ถูกต้องสำหรับการตรวจพบโรคในระยะเริ่มต้นเพื่อการป้องกัน ตัวอย่างเช่น อาจนำไปสู่การรักษาที่ป้องกันไม่ให้โรคลุกลามไปถึงสมอง ซึ่งจะทำให้เกิดผลกระทบรุนแรงในระยะยาว นอกจากนี้ยังเป็นอีกชิ้นส่วนสำคัญในปริศนาของความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างลำไส้และสมองของเรา ซึ่งในทางวิทยาศาสตร์เรียกว่า แกนลำไส้-สมอง

8. ปัญญาประดิษฐ์ช่วยพัฒนาการวินิจฉัยอาการบาดเจ็บทางสมองที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์และอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอนได้พัฒนา อัลกอริทึม AI ชนิดใหม่ ที่สามารถตรวจจับ แยกแยะ และระบุประเภทของการบาดเจ็บที่สมองต่างๆ จากข้อมูลการสแกน CT แบบภูมิประเทศได้

การสแกน CT รวบรวมข้อมูลจำนวนมหาศาล ซึ่งผู้เชี่ยวชาญอาจต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการวิเคราะห์ และจำเป็นต้องรวมการประเมินผลการสแกนหลายครั้งในช่วงเวลาต่างๆ เพื่อติดตามแนวโน้มการฟื้นตัวหรือความคืบหน้าของโรค เครื่องมือ AI ใหม่นี้ดูเหมือนจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวได้ดีกว่าผู้เชี่ยวชาญ และยังรวดเร็วและประหยัดกว่ามาก.

ตัวอย่างเช่น งานวิจัยของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าซอฟต์แวร์มีประสิทธิภาพสูงในการวัดปริมาณความคืบหน้าของรอยโรคในสมองหลายประเภทโดยอัตโนมัติ ช่วยในการทำนายว่ารอยโรคใดจะขยายใหญ่ขึ้น การประยุกต์ใช้ AI ประเภทนี้เพื่อช่วยในการวิเคราะห์ของมนุษย์นั้นมีแนวโน้มที่จะเป็นเพียงจุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงมากมายที่จะพลิกโฉมการวินิจฉัยทางการแพทย์ในรูปแบบที่คุ้มค่า.

9. ความลับของบุคคลที่มีอายุยืนยาวเป็นพิเศษถูกเปิดเผยแล้ว

ผู้สูงอายุ ที่มีความสามารถทางสติปัญญาเหนือกว่าคนในวัยเดียวกัน คือบุคคลที่มีทักษะทางสติปัญญาสูงกว่ามาก สามารถคงความสามารถทางจิตใจที่อ่อนเยาว์ไว้ได้แม้ในวัย 70 และ 80 ปี จนถึงปัจจุบันนี้ ความลับในการรักษาความสามารถทางสติปัญญาในระดับสูงสุดของพวกเขายังคงเป็นที่เข้าใจกันน้อยมาก

โรงพยาบาลมหาวิทยาลัยโคโลญจน์และศูนย์วิจัยจูลิชได้ค้นพบ ความแตกต่างที่สำคัญในด้านชีววิทยาโดยใช้การสแกน PET พวกเขาพบว่าผู้ที่มีอายุยืนยาวเป็นพิเศษมีความต้านทานต่อ เทา และ โปรตีนซึ่งก่อนหน้านี้โปรตีนเหล่านี้ศึกษาได้ยากจนกระทั่งเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ผู้สูงอายุที่มีความสามารถทางสติปัญญาสูงจะมีระดับของโปรตีนเทาและอะไมลอยด์ต่ำกว่า ซึ่งส่งผลให้เกิดความเสื่อมของระบบประสาทหลายชนิดในคนส่วนใหญ่เมื่ออายุมากขึ้น ปัจจุบันมีการระบุแล้วว่า การลดลงของความต้านทานต่อการสะสมของโปรตีนเทาและอะไมลอยด์เป็นปัจจัยทางชีวภาพหลักที่ทำให้ความสามารถทางสติปัญญาถึงขีดสุดลดลง.

งานวิจัยใหม่สามารถมุ่งเน้นไปที่กระบวนการเหล่านี้เพื่อหาวิธีรักษาภาวะสมองเสื่อมโดยทั่วไป ตลอดจนช่วยพัฒนายาเพื่อป้องกันภาวะสมองเสื่อมที่เกิดขึ้นแล้ว.

เราหวังว่าคุณจะพบว่าไฮไลท์ด้านประสาทวิทยาศาสตร์เหล่านี้เป็นเรื่องน่าสนใจ หากคุณสนใจที่จะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความก้าวหน้าที่น่าทึ่งในด้านประสาทวิทยาศาสตร์ โปรดอ่านบล็อกของเราเกี่ยวกับไฮไลท์ในช่วงสามปีที่ผ่านมาด้วย.

3 เรื่องราวสุดอัศจรรย์ด้านประสาทวิทยาศาสตร์แห่งปี 2019

5 ความก้าวหน้าครั้งสำคัญทางด้านประสาทวิทยาศาสตร์ในปี 2018

7 ความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านประสาทวิทยาศาสตร์ในปี 2017

‍