พวกเราส่วนใหญ่คิดเพียงเล็กน้อยว่าทำไมเราจึงรู้สึกอิ่มเอิบหลังจากรับประทานอาหารมื้อใหญ่ในวันหยุด เหตุใดเราจึงเริ่มไอหลังจากสูดดมควันแคมป์ไฟโดยไม่ได้ตั้งใจ หรือเหตุใดเราจึงรู้สึกคลื่นไส้อย่างกะทันหันหลังจากกินสิ่งที่เป็นพิษ อย่างไรก็ตาม ความรู้สึกดังกล่าวมีความสำคัญต่อการอยู่รอด โดยจะบอกเราว่าร่างกายของเราต้องการอะไรในช่วงเวลาที่กำหนด เพื่อให้เราสามารถปรับพฤติกรรมของเราได้อย่างรวดเร็ว
ทว่าในอดีต มีการค้นคว้าวิจัยเพียงเล็กน้อยเพื่อทำความเข้าใจความรู้สึกพื้นฐานทางร่างกายเหล่านี้ หรือที่เรียกว่าประสาทสัมผัสภายใน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อสมองได้รับและตีความข้อมูลจากอวัยวะภายใน
ตอนนี้ ทีมงานที่นำโดยนักวิจัยจาก Harvard Medical School ได้สร้างความก้าวหน้าครั้งใหม่ในการทำความเข้าใจชีววิทยาพื้นฐานของการตรวจจับอวัยวะภายใน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการสื่อสารที่ซับซ้อนระหว่างเซลล์ภายในร่างกาย
ในการศึกษาที่ดำเนินการในหนูและ เผยแพร่เมื่อวันที่ 31 สิงหาคมใน Natureทีมงานได้ใช้การถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงเพื่อเปิดเผยแผนที่เชิงพื้นที่ว่าเซลล์ประสาทในก้านสมองตอบสนองต่อข้อเสนอแนะจากอวัยวะภายในอย่างไร
พวกเขาพบว่าข้อเสนอแนะจากอวัยวะต่างๆ กระตุ้นกลุ่มเซลล์ประสาทที่ไม่ต่อเนื่อง ไม่ว่าข้อมูลนี้จะมีลักษณะทางกลหรือทางเคมีก็ตาม และกลุ่มเซลล์ประสาทเหล่านี้ที่เป็นตัวแทนของอวัยวะต่างๆ จะถูกจัดเรียงตามภูมิประเทศในก้านสมอง นอกจากนี้ พวกเขาค้นพบว่าการยับยั้งภายในสมองมีบทบาทสำคัญในการช่วยให้เซลล์ประสาทตอบสนองต่ออวัยวะต่างๆ
“การศึกษาของเราเผยให้เห็นหลักการพื้นฐานของการแสดงอวัยวะภายในต่างๆ ในก้านสมอง” Chen Ran หัวหน้า ทีมวิจัยด้านชีววิทยาเซลล์ของ HMS กล่าว
การวิจัยเป็นเพียงขั้นตอนแรกในการอธิบายว่าอวัยวะภายในสื่อสารกับสมองอย่างไร อย่างไรก็ตาม หากการค้นพบนี้ได้รับการยืนยันในสปีชีส์อื่นๆ รวมทั้งมนุษย์ สิ่งเหล่านี้สามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนากลยุทธ์ในการรักษาโรคต่างๆ ได้ดีขึ้น เช่น ความผิดปกติของการกิน กระเพาะปัสสาวะไวเกิน เบาหวาน ความผิดปกติของปอด และความดันโลหิตสูงที่เกิดขึ้นเมื่อการรับรู้ภายในผิดพลาด
ผู้เขียนอาวุโส Stephen Liberles ศาสตราจารย์ด้านชีววิทยาเซลล์ในสถาบัน Blavatnik ที่ HMS และผู้ตรวจสอบที่ Howard Hughes Medical Institute กล่าวว่า “ฉันคิดว่าการทำความเข้าใจว่าสมองเข้ารหัสอินพุตทางประสาทสัมผัสได้อย่างไรเป็นหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ของการทำงานของสมอง “มันช่วยให้เข้าใจถึงการทำงานของสมองเพื่อสร้างการรับรู้และกระตุ้นพฤติกรรม”
เรียนน้อยและไม่เข้าใจ
เป็นเวลาเกือบศตวรรษแล้วที่นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาวิธีที่สมองประมวลผลข้อมูลภายนอกเพื่อสร้างประสาทสัมผัสพื้นฐานของการมองเห็น กลิ่น การได้ยิน การลิ้มรส และการสัมผัส ที่เราใช้ในการนำทางโลก เมื่อเวลาผ่านไป พวกเขาได้รวบรวมสิ่งที่ค้นพบเพื่อแสดงให้เห็นว่าบริเวณประสาทสัมผัสต่างๆ ในสมองได้รับการจัดระเบียบเพื่อเป็นตัวแทนของสิ่งเร้าที่แตกต่างกันอย่างไร
ตัวอย่างเช่น ในช่วงกลางทศวรรษ 1900 การวิจัยเกี่ยวกับการสัมผัสทำให้นักวิทยาศาสตร์พัฒนาคอร์เทกซ์โฮมุนคิวลัสสำหรับระบบรับความรู้สึกทางกาย ซึ่งเป็นภาพประกอบที่แสดงให้เห็นส่วนต่างๆ ของร่างกายที่เป็นการ์ตูนซึ่งพาดผ่านพื้นผิวของสมอง โดยแต่ละส่วนจัดตำแหน่งให้สอดคล้องกับตำแหน่งที่สมองอยู่ ประมวลผลและวาดเป็นมาตราส่วนตามความไว
ในปีพ.ศ. 2524 ศาสตราจารย์จากฮาร์วาร์ด David Hubel และ Torsten Wiesel ได้รับรางวัลโนเบลสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับการมองเห็น ซึ่งพวกเขาทำแผนที่เยื่อหุ้มสมองที่มองเห็นอย่างเป็นระบบด้วยการบันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้าของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ที่ตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางสายตา ในปี พ.ศ. 2547 นักวิทยาศาสตร์อีกคู่หนึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากการศึกษาระบบการดมกลิ่น ซึ่งพวกเขาระบุตัวรับกลิ่นหลายร้อยตัว และเผยให้เห็นอย่างชัดเจนถึงวิธีการจัดเรียงปัจจัยการผลิตกลิ่นในจมูกและสมอง
อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน กระบวนการที่สมองรับรู้และจัดระเบียบความคิดเห็นจากอวัยวะภายในเพื่อควบคุมการทำงานทางสรีรวิทยาพื้นฐาน เช่น ความหิว ความอิ่ม ความกระหาย คลื่นไส้ ความเจ็บปวด การหายใจ อัตราการเต้นของหัวใจ และความดันโลหิตยังคงเป็นเรื่องลึกลับ
“วิธีที่สมองได้รับข้อมูลจากภายในร่างกายและวิธีที่สมองประมวลผลข้อมูลเหล่านี้ได้รับการศึกษาอย่างล้นหลามและไม่เข้าใจ” Liberles กล่าว
อาจเป็นเพราะการตรวจจับภายในมีความซับซ้อนมากกว่าการตรวจวัดภายนอก Ran กล่าวเสริม เขาอธิบายว่าประสาทสัมผัสภายนอกมักจะได้รับข้อมูลในรูปแบบเดียว ตัวอย่างเช่น การมองเห็นขึ้นอยู่กับการตรวจจับแสงทั้งหมด
ในทางตรงกันข้าม อวัยวะภายในถ่ายทอดข้อมูลผ่านแรงทางกล ฮอร์โมน สารอาหาร สารพิษ อุณหภูมิ และอื่นๆ ซึ่งแต่ละอวัยวะสามารถส่งผลต่ออวัยวะหลายส่วนและแปลเป็นการตอบสนองทางสรีรวิทยาหลายอย่าง ตัวอย่างเช่น การยืดกล้ามเนื้อส่งสัญญาณความจำเป็นในการปัสสาวะเมื่อมันเกิดขึ้นในกระเพาะปัสสาวะ แต่แปลเป็นความอิ่มเมื่อเกิดขึ้นในกระเพาะอาหารและกระตุ้นการสะท้อนกลับเพื่อหยุดการหายใจเข้าในปอด
กลุ่มดาวของเซลล์ประสาท
ในการศึกษาใหม่ของพวกเขา Liberles, Ran และเพื่อนร่วมงานได้มุ่งเน้นไปที่บริเวณก้านสมองที่เรียกว่านิวเคลียสของทางเดินเดี่ยวหรือ NTS
เป็นที่ทราบกันดีว่า NTS รับข้อมูลทางประสาทสัมผัสจากอวัยวะภายในผ่านทางเส้นประสาทเวกัส มันถ่ายทอดข้อมูลนี้ไปยังบริเวณสมองที่มีลำดับสูงกว่าซึ่งควบคุมการตอบสนองทางสรีรวิทยาและสร้างพฤติกรรม ด้วยวิธีนี้ NTS ทำหน้าที่เป็นเกตเวย์ประสาทสัมผัสภายในสำหรับสมอง
นักวิจัยใช้เทคนิคที่มีประสิทธิภาพที่เรียกว่าการถ่ายภาพแคลเซียมสองโฟตอนซึ่งวัดระดับแคลเซียมในเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ในสมองเป็นตัวแทนสำหรับกิจกรรมของเซลล์ประสาท
ทีมวิจัยใช้เทคนิคนี้กับหนูที่สัมผัสกับสิ่งเร้าอวัยวะภายในประเภทต่างๆ และใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อบันทึกการตอบสนองของเซลล์ประสาทหลายพันเซลล์ใน NTS ในช่วงเวลาหนึ่ง วิดีโอที่ได้จะแสดงเซลล์ประสาทที่ส่องสว่างทั่วทั้ง NTS เหมือนกับดาวที่กระพริบตาบนท้องฟ้ายามค่ำคืน
เทคนิคการถ่ายภาพแบบดั้งเดิมซึ่งเกี่ยวข้องกับการใส่อิเล็กโทรดเพื่อบันทึกเซลล์ประสาทกลุ่มเล็กๆ ณ จุดเวลาเดียว “เหมือนกับการเห็นภาพเพียงไม่กี่พิกเซลในแต่ละครั้ง” Ran กล่าว “เทคนิคของเราเหมือนกับการเห็นพิกเซลทั้งหมดพร้อมกันเพื่อแสดงภาพทั้งหมดด้วยความละเอียดสูง”
ทีมงานได้ค้นพบว่าสิ่งเร้าในอวัยวะภายในต่างๆ เช่น กระเพาะอาหารกับกล่องเสียง โดยทั่วไปจะกระตุ้นกลุ่มเซลล์ประสาทต่างๆ ใน NTS ในทางตรงกันข้าม นักวิจัยระบุหลายกรณีที่สิ่งเร้าทางกลและทางเคมีในอวัยวะเดียวกันซึ่งมักจะกระตุ้นการตอบสนองทางสรีรวิทยาแบบเดียวกัน (เช่น การไอหรือความอิ่ม) กระตุ้นเซลล์ประสาทที่ทับซ้อนกันในก้านสมอง การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่าเซลล์ประสาทบางกลุ่มอาจอุทิศเพื่อเป็นตัวแทนของอวัยวะเฉพาะ
ยิ่งไปกว่านั้น นักวิจัยพบว่าการตอบสนองใน NTS นั้นจัดเป็นแผนที่เชิงพื้นที่ ซึ่งพวกเขาขนานนามว่า “visceral homunculus” ในลักษณะเดียวกับที่พัฒนาขึ้นเมื่อหลายสิบปีก่อนจากเปลือกนอกที่คล้ายคลึงกัน
ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์พบว่าการส่งสัญญาณจากอวัยวะภายในไปยังก้านสมองต้องการการยับยั้งเซลล์ประสาท เมื่อพวกเขาใช้ยาเพื่อป้องกันการยับยั้ง เซลล์ประสาทในก้านสมองเริ่มตอบสนองต่ออวัยวะหลายส่วน ทำให้สูญเสียความสามารถในการคัดเลือกก่อนหน้านี้
งานนี้เป็นการวางรากฐานสำหรับ “การศึกษาการเข้ารหัสความรู้สึกภายในทั่วทั้งสมองอย่างเป็นระบบ” Ran กล่าว
รากฐานสำหรับอนาคต
การค้นพบนี้ทำให้เกิดคำถามใหม่ๆ มากมาย ซึ่งบางคำถามของทีม HMS ต้องการจะกล่าวถึง
Ran สนใจที่จะตรวจสอบว่าก้านสมองส่งข้อมูลทางประสาทสัมผัสภายในไปยังบริเวณสมองที่มีลำดับสูงกว่าซึ่งสร้างความรู้สึกที่เกิดขึ้นได้อย่างไร เช่น ความหิว ความเจ็บปวด หรือความกระหาย
Liberles ต้องการสำรวจว่าระบบตรวจจับภายในทำงานอย่างไรในระดับโมเลกุล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาต้องการระบุตัวรับความรู้สึกหลักที่ตรวจจับสิ่งเร้าทางกลและทางเคมีภายในอวัยวะ
พื้นที่สำหรับการวิจัยในอนาคตอีกประการหนึ่งคือการตั้งค่าระบบในระหว่างการพัฒนาของตัวอ่อน การค้นพบใหม่นี้ Liberles กล่าวว่าการดูเซลล์ประสาทเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ นักวิจัยยังต้องพิจารณาว่าเซลล์ประสาทอยู่ที่ไหนในสมอง
“เราจำเป็นต้องศึกษาการทำงานร่วมกันระหว่างชนิดของเซลล์ประสาทและตำแหน่งของพวกมันเพื่อทำความเข้าใจว่าวงจรมีสายอย่างไรและเซลล์ประเภทต่าง ๆ ทำอะไรในบริบทของวงจรต่างๆ” เขากล่าว
Liberles ยังสนใจว่าการค้นพบนี้มีลักษณะทั่วไปอย่างไรกับสัตว์อื่นๆ รวมทั้งมนุษย์ด้วย แม้ว่าวิถีทางประสาทสัมผัสมากมายจะได้รับการอนุรักษ์ไว้ข้ามสายพันธุ์ เขาตั้งข้อสังเกต แต่ก็มีความแตกต่างทางวิวัฒนาการที่สำคัญเช่นกัน ตัวอย่างเช่น สัตว์บางชนิดไม่มีพฤติกรรมพื้นฐาน เช่น การไอหรืออาเจียน
หากได้รับการยืนยันในมนุษย์ ผลการวิจัยสามารถแจ้งการพัฒนาวิธีการรักษาที่ดีขึ้นสำหรับโรคที่เกิดขึ้นเมื่อระบบประสาทสัมผัสภายในทำงานผิดปกติ
“บ่อยครั้งที่โรคเหล่านี้เกิดขึ้นเพราะสมองได้รับการตอบสนองที่ผิดปกติจากอวัยวะภายใน” รันกล่าว “ถ้าเรามีความคิดที่ดีว่าสัญญาณเหล่านี้เข้ารหัสต่างกันอย่างไรในสมอง สักวันหนึ่งเราอาจจะสามารถหาวิธีจี้ระบบนี้และฟื้นฟูการทำงานปกติได้”
ผู้เขียนเพิ่มเติม ได้แก่ Jack Boettcher, Judith Kaye และ Catherine Gallori จาก HMS
งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (ทุน DP1AT009497; R01DK122976; R01DK103703), โครงการริเริ่มด้านวิทยาศาสตร์การแพ้อาหาร, Leonard และ Isabelle Goldenson Postdoctoral Fellowship, Harvard Brain Science Initiative และ American Diabetes Association
