สมองมีต้นกำเนิดคู่ การเขียนตำราประสาทวิทยาใหม่เริ่มแล้ว

สมองมีต้นกำเนิดคู่ คืออะไร และทำไมจึงสำคัญ

สมองมีต้นกำเนิดคู่ คือแนวคิดใหม่ในประสาทวิทยาที่เสนอว่าสมองมนุษย์ไม่ได้พัฒนามาจากแหล่งกำเนิดเซลล์ตัวเดียว แต่ประกอบด้วยสองระบบประสาทโบราณที่แยกจากกันซึ่งเริ่มพัฒนาควบคู่กันตั้งแต่ระยะตัวอ่อนแรกเริ่ม แนวคิดนี้ชี้ว่าบริเวณสมองส่วนหน้า กลาง และท้าย มีเส้นทางเซลล์ต้นกำเนิดและรหัสพันธุกรรมที่ต่างกัน ทำให้โครงสร้าง หน้าที่ และความผิดปกติของสมองต้องถูกทำความเข้าใจใหม่ทั้งระบบ

งานวิจัยที่นำโดยทีมนักวิทยาศาสตร์ด้านชีววิทยาพัฒนาการพบว่า สมองของมนุษย์และสัตว์มีกระดูกสันหลังไม่ได้เกิดจากประชากรเซลล์ต้นกำเนิดเดียวอย่างที่ตำราส่วนใหญ่ระบุ แต่เกิดจากสองระบบประสาทที่พัฒนาขึ้นคู่กันตั้งแต่ช่วง gastrulation หรือช่วงที่โครงร่างร่างกายเริ่มถูกกำหนด นั่นหมายความว่าแบบจำลองเดิมที่มองสมองเป็นอวัยวะเดียวที่มีต้นกำเนิดร่วมกันต้องถูกตั้งคำถามใหม่ และอาจนำไปสู่การจัดระเบียบแผนที่สมองกันใหม่ตั้งแต่ระดับเซลล์

จากต้นกำเนิดเดี่ยวสู่สมองสองระบบ พลิกตำราที่เราเชื่อมาหลายสิบปี

ตลอดหลายสิบปี วงการประสาทวิทยายึดถือแบบจำลองว่า สมองทั้งหมดพัฒนาจากประชากรเซลล์ต้นกำเนิดชุดเดียว จากนั้นจึงแตกแขนงเป็นสมองส่วนหน้า ส่วนกลาง และส่วนท้าย การค้นพบล่าสุดกลับเล่าเรื่องต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ทีมจากสแตนฟอร์ดพบว่ามีเซลล์ต้นกำเนิดสองกลุ่ม แยกจากกันตั้งแต่ต้น และเดินคนละเส้นทางพัฒนาการอย่างขนานไม่ทับซ้อน

เซลล์กลุ่มหนึ่งแสดงยีน Otx2 นำไปสู่สมองส่วนหน้าและส่วนกลาง ขณะที่อีกกลุ่มแสดงยีน Gbx2 และพัฒนาสู่สมองส่วนท้ายหรือก้านสมอง ที่สำคัญคือแม้ในระยะเริ่มต้นที่สุดของการพัฒนา เซลล์สองกลุ่มนี้ก็ไม่ทับซ้อนกันเลย ทั้งยังมีโครงสร้างโครมาตินหรือวิธีการบรรจุ DNA ที่ต่างกันอย่างชัดเจน ส่งผลให้เซลล์แต่ละกลุ่มถูกล็อกเส้นทางชะตากรรมของตนตั้งแต่ช่วงต้น การค้นพบนี้จึงไม่ใช่แค่เพิ่มรายละเอียดเล็กน้อย แต่เป็นการรื้อแบบจำลองโครงสร้างและพัฒนาการสมองทั้งระบบ

วิวัฒนาการระบบประสาท สมองมนุษย์คือการหลอมรวมสองสมองโบราณ

สิ่งที่ทำให้แนวคิดสมองมีต้นกำเนิดคู่ทรงพลังมากคือผลสะเทือนต่อภาพใหญ่ของวิวัฒนาการระบบประสาท นักวิจัยเสนอว่าสมองสัตว์มีกระดูกสันหลังในปัจจุบันน่าจะเกิดจากการที่วิวัฒนาการนำเอาสองระบบประสาทเดิมมาวางชิดกันทางกายภาพแล้วให้ทำงานร่วมกัน ระบบหนึ่งควบคุมหน้าที่เพื่อการอยู่รอดพื้นฐานอย่างการหายใจ การเต้นของหัวใจ การนอน และความหิวที่เชื่อมโยงกับสมองส่วนท้ายและก้านสมอง ส่วนอีกระบบรับผิดชอบความสามารถขั้นสูง เช่น ภาษา คณิตศาสตร์ การคิดเชิงนามธรรม และการรับรู้การมีอยู่ของตัวเอง ซึ่งผูกกับสมองส่วนหน้าและส่วนกลาง

การวิเคราะห์โครงสร้างสมองในสายวิวัฒนาการยาวกว่า 550 ล้านปีพบสัญญาณการจัดแบบสองต้นกำเนิดในสัตว์หลากหลายสายพันธุ์ที่มีบรรพบุรุษร่วมกันในจุดเดียวของต้นไม้วิวัฒนาการเมื่อราว 550 ล้านปีก่อน นี่ไม่ใช่รายละเอียดเฉพาะของมนุษย์ แต่เป็นคุณสมบัติระดับรากฐานของสมองสัตว์มีกระดูกสันหลัง หากมองเช่นนี้ สมองเราคือการร่วมมือกันของสมองเพื่อการอยู่รอดและสมองเพื่อการคิดรู้ ที่วิวัฒนาการนำมาประกบจนกลายเป็นอวัยวะเดียวในกะโหลก

จากห้องทดลองสู่โรคสมอง การค้นพบนี้เปลี่ยนเกมอย่างไร

การทำความเข้าใจว่าพัฒนาการสมองมนุษย์แยกออกเป็นสองเส้นทางตั้งแต่ต้นไม่ใช่แค่ชัยชนะเชิงทฤษฎี แต่ตอบโจทย์ปัญหาที่นักประสาทวิทยาเผชิญมานานหลายสิบปี โดยเฉพาะคำถามว่าทำไมการเพาะเลี้ยงเซลล์ประสาทสมองส่วนท้ายจึงยากมากในห้องทดลอง เมื่อนักวิจัยลองใช้เซลล์ต้นกำเนิดมนุษย์ที่ถูกชี้ชะตาให้เป็นเนื้อเยื่อประสาทส่วนหน้าและส่วนหลังตั้งแต่สองวันแรก แล้วให้สัญญาณเหนี่ยวนำแบบเฉพาะ พวกเขาสามารถสร้างเซลล์ประสาทมอเตอร์ของสมองส่วนท้ายที่ทำงานไฟฟ้าและสร้างโปรตีนลักษณะเฉพาะได้สำเร็จเป็นครั้งแรก

การสร้างแบบจำลองเซลล์สมองส่วนท้ายที่เชื่อถือได้เปิดประตูใหม่ในการศึกษากลุ่มโรคที่เกี่ยวข้องกับก้านสมอง เช่น spinal muscular atrophy ซึ่งเป็นสาเหตุทางพันธุกรรมสำคัญของการเสียชีวิตในเด็กอายุต่ำกว่า 1 ปี และ amyotrophic lateral sclerosis ที่มักถูกวินิจฉัยในช่วงอายุ 40 ถึง 70 ปีและกระทบทั้งสมองส่วนหน้าและท้าย ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์มีเครื่องมือจำลองเซลล์เป้าหมายของโรคเหล่านี้ในจานเพาะเลี้ยง ช่วยให้มองเห็นว่าเซลล์เสื่อมอย่างไร และทดสอบแนวคิดการฟื้นฟูหรือทดแทนเซลล์ได้ตรงเป้ากว่าเดิมมาก

อนาคตของการทำแผนที่สมองใหม่ จากต้นกำเนิดคู่สู่การแพทย์แม่นยำ

หากยอมรับว่าสมองมีต้นกำเนิดคู่ เราจะไม่มองสมองเป็นก้อนเนื้อเดียวอีกต่อไป แต่เป็นสองระบบที่ต้องทำแผนที่ร่วมกันตั้งแต่ระดับเซลล์ต้นกำเนิด เส้นทางพัฒนาการ และวงจรประสาท มุมมองนี้บังคับให้นักพัฒนาชิ้นส่วนสมองจากสเต็มเซลล์ต้องเริ่มตั้งต้นให้ถูกประเภท ไม่พยายามบังคับเซลล์ที่ถูกกำหนดให้เป็นสมองส่วนหน้าให้กลายร่างเป็นสมองส่วนท้ายซึ่งงานวิจัยล่าสุดชี้ว่าแทบเป็นไปไม่ได้

ผลต่อการแพทย์คือ เราอาจออกแบบการรักษาที่แยกเป้าตามต้นกำเนิดของเซลล์ได้ดีขึ้น ทั้งในการทำความเข้าใจโรคที่ทำลายก้านสมองอย่าง SMA และ ALS รวมถึงโรคอื่นที่เกี่ยวข้องกับสมองส่วนท้าย นักวิจัยเริ่มวางแผนสำรวจว่ากระดูกสันหลังมีต้นกำเนิดจากเส้นทางใดและโรคเหล่านี้รบกวนเซลล์สมองส่วนท้ายอย่างไรอย่างละเอียด เมื่อเราขยับจากการดูแค่เซลล์ปลายทางมาให้ความสำคัญกับช่วงเริ่มตั้งต้นของพัฒนาการสมอง พื้นที่ใหม่ของการออกแบบการรักษาเชิงฟื้นฟูจึงเปิดกว้างอย่างไม่เคยมีมาก่อน