ประสาทวิทยา

เซลสมองบอกพิกัด

พัฒนา ราชวงศ์ อาศรมภูมิวิทยาศาสตร์

สาขาวิชาภูมิศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร

นักภูมิศาสตร์ไม่ค่อยรับรู้ พูดคุย และลุ่มลึกเกี่ยวกับเรื่องที่จะกล่าวถึงต่อไปนี้ อาจเป็นเพราะอยู่นอกขอบเขตการเรียนรู้ของวิชาภูมิศาสตร์ แต่ที่ต้องนำมากล่าวถึงตรงนี้ตอนนี้ ด้วยเห็นว่า นักภูมิศาสตร์มีความจำเป็นจะต้องทำความเข้าใจประสาทวิทยาอันเป็นพื้นฐานสำคัญในการทำความเข้าใจ วิเคราะห์/สังเคราะห์ ทำนาย/ทำฉากทัศน์ และเข้าไปดำเนินอะไรสักอย่างในภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่ง

เริ่มเลยนะ

ว่ากันว่าลึกลงไปในสมองส่วนที่เรียกว่า Hippocampus ซึ่งมีบทบาทในการทำหน้าที่เกี่ยวกับความจำและการนำทาง จะมีเซลพิเศษบอกพิกัดที่ชื่อว่า Place Cells และเซลจัดระบบกริด Grid Cells เซลทั้งสองนี้ทำหน้าที่เหมือน GPS ประจำตัวมนุษย์ ซึ่งการค้นพบเซลนี้ของ John O'Keefe ร่วมกับ May-Britt Moser และ Edvard Moser ได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ ปี 2014

อธิบายให้เห็นภาพง่ายที่สุด Place Cells ก็คือระบบปักหมุดอัตโนมัติที่ซ่อนอยู่ในสมองส่วน Hippocampus ของเรา เป็นเซลประสาทกลุ่มหนึ่งที่จะนิ่งเงียบในเวลาปกติ แต่จะตื่นตัวและยิงสัญญาณรัวๆ ก็ต่อเมื่อร่างกายของเราเคลื่อนที่ไปอยู่ในพิกัดหรือตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงในโลกภายนอกเท่านั้น

สมมติว่าเราเดินอยู่ภายในบ้าน เมื่อหยุดที่หน้าตู้เย็น เซลประสาท Place Cell ตัวที่ 1 ในสมองจะเริ่มทำงานยิงสัญญาณรัวๆ ทันที แต่พอก้าวเท้าเดินต่อออกไปที่โซฟาห้องนั่งเล่น เซลตัวที่ 1 จะปิดสวิตช์เงียบลง แล้วเซลล์ Place Cell ตัวที่ 2 ซึ่งรับผิดชอบพิกัดโซฟา จะเปิดสวิตช์ตื่นขึ้นมายิงสัญญาณแทน

การที่เซลแต่ละตัวแบ่งหน้าที่กันรับผิดชอบพิกัดใครพิกัดมันแบบนี้ ทำให้เมื่อเราเดินไปทั่วบ้าน สมองจะเกิดการยิงสัญญาณสลับกันไปมาเหมือนไฟระยิบระยับบนแผงวงจร เกิดเป็นแผนที่ความจำเชิงพื้นที่ (Cognitive Map) ขึ้นมาในหัว ทำให้รู้ว่าตอนนี้ตัวเองอยู่ตรงไหนของโลกโดยไม่ต้องเปิดตาดูแผนที่กระดาษ

เมื่อระบบนี้ทำงานสัมพันธ์กับสถานที่และความคุ้นเคย การจะกระตุ้นให้ Place Cells ทำงานได้ดี แข็งแรง และสร้างรอยหยักใหม่ๆ ในสมอง สามารถทำได้ด้วยการพาตัวเองไปเจอพิกัดใหม่ๆ เรื่อยๆ (Exploring New Places) ถ้าเราอยู่แต่ในห้องเดิมๆ เดินเส้นทางเดิมๆ ทุกวัน Place Cells ชุดเดิมจะทำงานแบบเฉื่อยชาเพราะมันจำพิกัดได้หมดแล้ว การจงใจเปลี่ยนสภาพแวดล้อม เช่น ไปเดินสวนสาธารณะแห่งใหม่ ไปเที่ยวเมืองที่ไม่เคยไป หรือเดินเข้าซอยที่ไม่รู้จัก จะเป็นการบังคับให้สมองต้องระดมสมองสร้าง Place Cells ชุดใหม่ขึ้นมาปักหมุด พิกัดเหล่านั้นทันที เป็นการเพิ่มพื้นที่ความจำเชิงพื้นที่ให้กว้างขึ้น

การฝึกปักหมุดด้วยตา (Active Visual Anchoring) เวลาไปในสถานที่ใดก็ตาม ก็เป็นสิ่งสำคัญ ขอแนะนำให้ฝึกสแกนหาแลนด์มาร์กเฉพาะตัวของพิกัดนั้น เช่น ร้านนี้มีป้ายไฟสีส้ม หัวมุมนี้มีต้นไม้ใหญ่ทรงแปลกตา การตั้งใจมองและบันทึกสิ่งจำเพาะเหล่านี้ จะช่วยให้ Place Cells ยิงสัญญาณได้แม่นยำและจดจำพิกัดนั้นได้คมชัดขึ้นอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้ การขยับร่างกายเคลื่อนที่ด้วยตัวเอง (Active vs. Passive Navigation) ช่วยให้ Place Cells ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อเราเป็นผู้ควบคุมการเคลื่อนที่เอง เดินด้วยตัวเอง ขับรถด้วยตัวเอง หรือปั่นจักรยานเอง เรื่องนี้มีงานวิจัยของ Hugo Spiers (2017) เรื่อง "Impact of navigation technology on human hippocampal and prefrontal activity" ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications ยืนยัน ซึ่งในงานวิจัยดังกล่าวพบว่า การนั่งเป็นผู้โดยสารอยู่เฉยๆ แล้วให้คนอื่นขับรถให้ หรือการเดินตาม GPS โดยไม่มองทางเลย จะทำให้ Place Cells ตื่นตัวน้อยลงมาก เพราะสมองส่วนหน้าไม่ได้สั่งการให้ร่างกายสัมพันธ์กับพื้นที่

ขอย้อนกลับไปกล่าวถึง John O'Keefe ที่เป็นผู้ค้นพบและนำเสนอเรื่อง Place Cells เป็นครั้งแรกอีกสักหน่อย ผลงานวิจัยระดับตำนานที่ตีพิมพ์เมื่อปี 1971 ในวารสารวิชาการ Brain Research โดยงานวิจัยชิ้นนั้นมีชื่ออย่างเป็นทางการว่า "The hippocampus as a spatial map. Preliminary evidence from unit activity in the freely-moving rat." ในงานวิจัยชิ้นนี้ O'Keefe ได้เขียนร่วมกับเพื่อนร่วมงานชาวแคนาดาชื่อ Jonathan Dostrovsky ซึ่งเป็นบทความวิจัยขนาดสั้นเพียง 5 หน้า แต่สร้างแรงสั่นสะเทือนให้วงการประสาทวิทยาอย่างมหาศาล เพราะเป็นครั้งแรกที่มีคนพิสูจน์ได้ว่า สมองมีเซลล์ประสาทที่ทำหน้าที่บอกพิกัดสถานที่อยู่จริงๆ และพวกเขาได้ทิ้งท้ายในบทความนั้นไว้ว่า "สมองส่วนฮิปโปแคมปัสนี้ทำหน้าที่จัดหาแผนที่อ้างอิงเชิงพื้นที่ (Spatial Reference Map) ให้กับสมองส่วนที่เหลือ"

จากนั้นในปี 1978 John O'Keefe ได้ขยายพรมแดนความรู้นี้ร่วมกับ Lynn Nadel โดยเขียนเป็นหนังสือวิชาการเล่มสำคัญที่เป็นรากฐานของเรื่องนี้ชื่อว่า "The Hippocampus as a Cognitive Map" ซึ่งรวบรวมทฤษฎีทั้งหมดว่าสมองเปลี่ยนพื้นที่ทางกายภาพให้กลายเป็นแผนที่ในความคิดของเราได้อย่างไร ก่อนที่ผลงานชุดนี้จะส่งผลให้เขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 2014

หลังจากที่ John O'Keefe ค้นพบ Place Cells วงการประสาทวิทยาก็ยังเจอปริศนาข้อใหญ่ขัดใจอยู่เรื่องหนึ่ง คือคำถามที่ว่า สมองรู้ได้ยังไงว่าหมุดแต่ละหมุดห่างกันแค่ไหน และเชื่อมต่อกันอย่างไร? เพราะ Place Cells จะยิงสัญญาณเฉพาะตอนที่เราถึงจุดหมายแล้วเท่านั้น แต่ระหว่างทางที่เดินลุยไปในความว่างเปล่า สมองใช้เอาอะไรวัดระยะทาง?

คำตอบนี้ถูกเฉลยหลังจากการค้นพบแรกถึง 34 ปี โดยสองสามีภรรยานักประสาทวิทยาชาวนอร์เวย์ May-Britt Moser และ Edvard Moser ซึ่งพวกเขาได้ค้นพบเซลมหัศจรรย์อีกชนิดหนึ่งที่ชื่อว่า Grid Cells หรือเซลล์ตารางพิกัด

ทั้งนี้ ถ้าหากว่า Place Cells ของ O'Keefe ทำหน้าที่เหมือนหมุดปักแลนด์มาร์กบนแผนที่ Grid Cells ของครอบครัว Moser ก็ทำหน้าที่เหมือนเส้นละติจูดและลองจิจูดที่ตีเป็นเส้นตารางกริดครอบโลกทั้งใบเอาไว้ โดยความน่าทึ่งขั้นสุดของ Grid Cells ในทางประสาทวิทยา มีดังนี้

1. พิกัดหกเหลี่ยมอัจฉริยะ (Hexagonal Pattern) Moser ค้นพบว่า เซลกลุ่มนี้ไม่ได้อยู่ใน Hippocampus โดยตรง แต่อยู่ในสมองส่วนที่เชื่อมต่อกันชื่อว่า Entorhinal Cortex เวลาที่มนุษย์หรือสัตว์เคลื่อนที่ไปในอวกาศกว้างๆ เซลแต่ละตัวจะยิงสัญญาณถี่ขึ้นเป็นระยะๆ เมื่อเราเดินผ่านจุดตัดของตาข่ายรูปหกเหลี่ยม (Hexagonal Grid) ที่สมองจำลองขึ้นมาครอบพื้นที่นั้นไว้ ลวดลายนี้เหมือนรังผึ้งที่ต่อกันอย่างสมบูรณ์แบบในหัวของเรา

2. เป็นเครื่องมือวัดระยะทางและทิศทาง (The Brain's Metric System) Grid Cells ไม่สนใจว่าตรงนั้นจะมีตู้เย็น ต้นไม้ หรือคาเฟ่ไหม เพราะหน้าที่นั้นเป็นของ Place Cells แต่ตัวมันทำหน้าที่คำนวณระยะทางเชิงคณิตศาสตร์และทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกายตลอดเวลา มันจะบอกสมองว่าตอนนี้ก้าวมาทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือได้ 5 เมตรแล้ว

เมื่อหมุดปักเจอกับเส้นตาราง สมองจะนำข้อมูลระยะทางและมุมองศาจาก Grid Cells ส่งไปประมวลผลร่วมกับ Place Cells ใน Hippocampus ทันที ทำให้สมองสร้างแผนที่ความคิด (Cognitive Map) ที่สมบูรณ์แบบขึ้นมาได้ เราจึงสามารถคำนวณทางลัด หลับตาเดินในบ้าน หรือเดินกลับเส้นทางเดิมได้โดยไม่หลงทิศ

May-Britt & Edvard Moser ได้นำเสนอการค้นพบอันยิ่งใหญ่นี้ในบทความวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสารระดับโลกอย่าง Nature เมื่อปี 2005 โดยมีชื่อบทความว่า "Microstructure of a spatial map in the entorhinal cortex"  งานวิจัยชิ้นนี้เปลี่ยนโฉมหน้าวงการวิทยาศาสตร์ระบบประสาทไปตลอดกาล เพราะมันพิสูจน์ว่าสมองมนุษย์ไม่ได้แค่จำสถานการณ์แบบสุ่มๆ แต่มีระบบคำนวณเชิงพิกัดเรขาคณิตขั้นสูงที่ฝังอยู่ในระบบประสาทมาตั้งแต่กำเนิด และส่งผลให้พวกเขาได้รับรางวัลโนเบลร่วมกับ John O'Keefe ในปี 2014 ในที่สุด

สรุปได้ว่า Grid Cells มีหน้าที่วัดระยะและพื้นที่ การจะรับมือหรือกระตุ้นให้เซลล์กลุ่มนี้แข็งแรง ต้องเน้นกิจกรรมที่ท้าทายการรับรู้มิติสัมพันธ์และระยะทาง (spatial navigation) อย่างเช่นการเดินป่า หรืองานวิ่ง Trail ซึ่งการวิ่งหรือเดินในพื้นที่ธรรมชาติที่ไม่มีถนนตัดเป็นเส้นตรง ไม่มีป้ายบอกทางชัดเจน บังคับให้ Grid Cells ต้องทำงานหนักมากในการคำนวณระยะทางบนพื้นที่ลาดชันและความโค้งมนที่ไม่แน่นอน

นอกจากนี้สามารถกระตุ้นได้ด้วยการฝึกคาดเดาระยะทางด้วยตาและก้าวเดิน (Distance Estimation) ด้วยการลองฝึกทายระยะทางในใจ เช่น จากตรงนี้ถึงเสาไฟฟ้าน่าจะประมาณ 20 เมตร แล้วลองเดินนับก้าวเพื่อเช็กคำตอบ การจงใจให้สมองคำนวณระยะทางแบบนี้คือการบริหาร Grid Cells โดยตรง หรือกระตุ้นด้วยการเล่นเกมประเภท Open-World หรือแนว 3D Spatial: เกมที่ผู้เล่นต้องนำทางในแผนที่ 3 มิติขนาดใหญ่ด้วยตัวเอง เช่น Minecraft หรือเกมแนวผจญภัยที่ต้องจำทิศทางเอง มีงานวิจัยรองรับว่าช่วยกระตุ้นการทำงานของเครือข่าย Entorhinal-Hippocampal ซึ่งเป็นที่อยู่ของเซลทั้งสองชนิดนี้ได้เป็นอย่างดี