การมองว่าสมองเป็นเครือข่ายอาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์จัดการกับความซับซ้อนได้
การทำแผนที่สมองของมนุษย์เป็นเป้าหมายอันสูงส่ง เว็บสล็อต แต่ก็เป็นเป้าหมายที่ค่อนข้างไม่ชัดเจน มันเหมือนกับการทำแผนที่ของสหรัฐอเมริกา คุณสามารถแสดงขอบเขตทางการเมืองและที่ตั้งของเมืองได้ หรือคุณอาจบรรยายลักษณะทางภูมิศาสตร์ เช่น ภูเขาและแม่น้ำ หรือเส้นทางคมนาคม เช่น ทางหลวงระหว่างรัฐและรางรถไฟ คุณอาจใช้ Google Maps ไปตลอดทางและแสดงตำแหน่งของบ้านทุกหลัง
สมองมีสเกลที่หลากหลายเช่นเดียวกัน: ซีกโลกสองซีกของสสารสีเทาที่ซับซ้อน แต่ละซีกมีสี่แฉกในภูมิภาค ข้ามผ่านทางด่วนของเส้นใยสสารสีขาวที่สื่อสารกับเซลล์หลายพันล้านเซลล์ ดังนั้นแผนที่สมองบางแผนที่จึงเน้นที่การร่างโครงร่างพื้นที่ทางกายวิภาค ส่วนแผนที่อื่นๆ ติดตามการเดินสายสสารสีขาว ส่วนแผนที่อื่นๆ ยังแบ่งสสารสีเทาออกเป็นชิ้นเล็กๆ และบันทึกกิจกรรมระหว่างงานทางจิตต่างๆ แต่ในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ต้องการทำแผนที่ทุกอย่าง เป้าหมายสูงสุดของพวกเขาคือแคตตาล็อกของการเชื่อมต่อทั้งหมดระหว่างเซลล์และภูมิภาคของสมองทั้งหมด แผนที่หลักที่เรียกว่าคอนเนกโทม
เป็นงานที่น่าเกรงขาม เทียบได้กับการระบุอาคารทุกหลังในประเทศ จากนั้นจึงติดตามเส้นทางของผู้คนและรถยนต์ทั้งหมดที่เดินทางไปมา นักวิจัยหลายคนกล่าวว่าการทำแผนที่การเชื่อมต่อทั้งหมดจะทำให้เกิดผลตอบแทนมหาศาล และจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องดำเนินการตามเป้าหมายที่ยิ่งใหญ่กว่าที่ประธานาธิบดีโอบามาพูดไว้อย่างชัดเจนเพื่อให้เข้าใจว่าสมองคิดและเรียนรู้อย่างไร( SN: 5/4/13, หน้า 22 ) .
นักประสาทวิทยา Scott Emmons จากวิทยาลัยแพทยศาสตร์ Albert Einstein ในนิวยอร์กกล่าวว่า “โครงการ BRAIN Initiative ของประธานาธิบดีโอบามาเน้นการกำหนดการเชื่อมต่อ “และแน่นอนว่าเราจะไม่สามารถเข้าใจระบบประสาทได้ เว้นแต่เราจะรู้การเชื่อมต่อนี้”
วิลเลียม นิวซัม นักประสาทวิทยาจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด ประธานร่วมของคณะกรรมการสถาบันสุขภาพแห่งชาติ ซึ่งกำหนดลำดับความสำคัญสำหรับโครงการของประธานาธิบดีเห็นด้วย
“นี่คือสิ่งที่เราตีความเป้าหมายที่ครอบคลุมของโครงการ BRAIN Initiative” Newsome กล่าว “เพื่อทำแผนที่วงจรของสมอง วัดรูปแบบที่ผันผวนของกิจกรรมทางไฟฟ้าและเคมีที่ไหลภายในวงจรเหล่านั้น และเพื่อทำความเข้าใจว่าการทำงานร่วมกันของพวกมันสร้างได้อย่างไร ความสามารถทางปัญญาและพฤติกรรมที่เป็นเอกลักษณ์”
แม้ว่าความท้าทายนั้นดูเหมือนจะยาก แต่มีความคืบหน้าอย่างมากแล้ว นักวิทยาศาสตร์ได้อธิบายความเชื่อมโยงในสมองดึกดำบรรพ์ของหนอนตัวกลมตัวเล็ก ๆCaenorhabditis elegansไว้เรียบร้อยแล้ว การศึกษาของมนุษย์ได้เริ่มทำแผนที่เส้นใยสสารสีขาวที่เชื่อมโยงร่างกายส่วนต่างๆ ของสมอง การสแกนสมองเผยให้เห็นว่าภูมิภาคใดทำงานพร้อมกัน ซึ่งเป็นเงื่อนงำเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการเชื่อมต่อ
และด้วยการใช้ทฤษฎีทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายเครือข่าย นักวิทยาศาสตร์ได้เริ่มรับรู้ว่าเซลล์สมองร่วมมือกันสร้างความคิดและพฤติกรรมอย่างไร อันที่จริง คณิตศาสตร์เครือข่ายชี้ให้เห็นว่าข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการเชื่อมต่อของสมองนั้นเป็นไปได้ แม้จะไม่ได้ทำแผนที่ลิงก์ทั้งหมดสำหรับทุกเซลล์ก็ตาม
ในที่สุด ข้อมูลเชิงลึกดังกล่าวควรช่วยในการวินิจฉัยและรักษาโรคทางสมองหลายอย่าง เช่น โรคจิตเภท ซึ่งเป็นผลมาจากการเชื่อมต่อที่ผิดพลาด Emmons กล่าวว่า “มีคนแนะนำว่าความผิดปกติร้ายแรงบางอย่าง เช่น โรคจิตเภทและออทิซึม แท้จริงแล้วคือโรคเกี่ยวเนื่องกัน”
สมองที่เรียบง่าย
โดยหลักการแล้ว คอนเนกโทมของมนุษย์ประกอบด้วยการเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาททุกเซลล์หรือเซลล์ประสาทในสมองอย่างแท้จริง แต่แผนที่ที่สมบูรณ์ดังกล่าวยังห่างไกลจากเทคโนโลยีในขณะนี้ ด้วยจำนวนเซลล์ประสาทประมาณ 85 พันล้าน ซึ่งแต่ละเซลล์ยังคงรักษาการเชื่อมต่อไว้ได้นับพัน คอนเน็กโทมประกอบด้วยเครือข่ายที่กว้างใหญ่ไพศาลอย่างเหลือเชื่อ พร้อมด้วยลิงก์หลายร้อยล้านล้าน ดังนั้นในมนุษย์ การวิจัยคอนเนกโทมจึงมุ่งเน้นไปที่ความเชื่อมโยงระหว่างบริเวณสมองกายวิภาคหรือเนื้อเยื่อสมองชิ้นเล็กๆ โครงการ Human Connectome ซึ่งเปิดตัวโดยสถาบันสุขภาพแห่งชาติในปี 2010 ทำแผนที่ส่วนของสสารสีเทาในระดับลูกบาศก์มิลลิเมตร ซึ่งมีขนาดประมาณเม็ดเกลือ มันเหมือนกับการทำแผนที่ถนนที่เชื่อมระหว่างเมืองและเมืองต่างๆ แต่ละเลยถนนด้านข้างและบ้านแต่ละหลัง
รอยย่นของความซับซ้อนเพิ่มเติมแยกความแตกต่างระหว่างการเชื่อมโยงทางกายภาพผ่านสสารสีขาว (การฉายภาพของเซลล์ที่หุ้มด้วยไมอีลินที่เชื่อมบริเวณเข้าด้วยกัน) และการเชื่อมต่อที่ใช้งานได้ซึ่งระบุว่าบริเวณสมองจะทำงานพร้อมกันเมื่อทำงานเฉพาะ
แน่นอนว่า “คอนเน็กโตมที่ใช้งานได้” นี้มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับลิงก์ทางกายภาพ แต่ความซับซ้อนของสมองมนุษย์ทำให้เป็นไปไม่ได้ที่จะติดตามความสัมพันธ์นั้นในระดับของเซลล์ประสาทแต่ละเซลล์ ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงแสวงหาสิ่งทดแทนที่ง่ายกว่าเพื่อให้ได้ข้อมูลเชิงลึกว่าเซลล์ประสาทโต้ตอบกันอย่างไร
ที่ชื่นชอบสำหรับจุดประสงค์นี้คือCaenorhabditis elegansซึ่งมีหนึ่งในสมองที่ง่ายที่สุดในชีวมณฑล C. elegansเพศผู้มีเซลล์ประสาท 383 เซลล์ (กระเทยมีน้อยกว่านั้น) ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถจัดหมวดหมู่เซลล์ประสาทของหนอนพยาธิทั้งหมดและติดตามการเชื่อมต่อมากกว่า 2,000 รายการโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เว็บสล็อต
