แผนที่สมองข้ามสายพันธุ์ครั้งแรกของโลก เชื่อมหนูกับลิงมาร์โมเซต แก้ปัญหางานวิจัยจากสัตว์ฟันแทะใช้กับคนไม่ได้ผล

จุดเริ่มต้นที่ 'Leaf-Level Regions'

หัวใจสำคัญของแผนที่นี้คือการมองว่าวิธีที่น่าเชื่อถือที่สุดในการเปรียบเทียบสมองระหว่างสปีชีส์คือการเริ่มต้นจากรายละเอียดทางกายวิภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ทีมวิจัยได้ยึดการเปรียบเทียบของพวกเขาไว้ที่ส่วนแบ่งย่อยที่เล็กที่สุดและละเอียดที่สุดของสมอง ซึ่งนักประสาทวิทยาเรียกว่า leaf-level regions

แม้ว่าโครงสร้างสมองขนาดใหญ่มักจะมีชื่อและขอบเขตที่ไม่สอดคล้องกันในแผนที่สมองแต่ละชุด แต่ที่น่าประหลาดใจคือ แผนที่สมองส่วนใหญ่กลับเห็นพ้องต้องกันเป็นอย่างดีในส่วนที่เป็นชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดเหล่านี้ ศาสตราจารย์ Mitra อธิบายแนวทางนี้ด้วยอุปมาที่เข้าใจง่าย: "ลองนึกถึงรัฐและเมือง เมืองนิวยอร์กซิตี้ในแผนที่หนึ่งอาจถูกเรียกว่านิวยอร์ก แต่อีกแผนที่อาจเรียกว่านิวอัมสเตอร์ดัม แต่ทุกคนในระดับท้องถิ่นรู้ดีว่าคุณกำลังพูดถึงอะไร" การจับคู่หน่วยพื้นฐานเหล่านี้ก่อน ทำให้ทีมงานสามารถสร้างความสัมพันธ์ระหว่างบริเวณสมองที่ใหญ่ขึ้นระหว่างสองสปีชีส์นี้ได้อย่างน่าเชื่อถือในภายหลัง

การสังเคราะห์งานวิจัยอย่างเป็นระบบ

ทีมงานได้วิเคราะห์ข้อมูลจากงานวิจัยที่ตีพิมพ์มากกว่า 100 ชิ้น ซึ่งแต่ละชิ้นใช้เทคนิคอย่างการฉีดสารติดตามเส้นประสาท (neural tracer injections) และการทำแผนที่ทางเนื้อเยื่อวิทยา (histological mapping) เพื่อกำหนดขอบเขตบริเวณสมองในหนูและลิงมาร์โมเซต การทบทวนอย่างเป็นระบบนี้ทำให้พวกเขาสามารถหาจุดลงตัวระหว่างแผนที่สมองมาตรฐานหลายชุดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับทั้งสองสปีชีส์

กรอบความสัมพันธ์เชิงปริมาณ

ด้วยการใช้ชุดคำสั่งคำนวณและสถิติที่ทำงานบน MATLAB นักวิจัยได้เปรียบเทียบลักษณะเชิงพื้นที่ โครงสร้าง และรูปแบบการเชื่อมต่อของ leaf-level regions ข้ามระหว่างหนูและลิงมาร์โมเซต พวกเขากำหนดความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างสมองได้ 5 ประเภท และพบว่า โครงสร้างสมองระดับ leaf-level ของหนูถึง 43% มีความสัมพันธ์แบบหนึ่งต่อหนึ่งกับโครงสร้างของลิงมาร์โมเซต ส่วนที่เหลืออีก 57% เป็นโครงสร้างเฉพาะของสปีชีส์นั้นๆ หรือมีความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนกว่า

แผนที่นี้ช่วยแก้ปัญหาการแปลผลงานวิจัยได้อย่างไร

ช่องว่างทางวิวัฒนาการ

ปัญหาหลักคือสมองของสัตว์ฟันแทะได้แยกสายวิวัฒนาการจากสายพันธุ์ไพรเมตเมื่อประมาณ 90 ล้านปีก่อน ยาและการค้นพบวงจรประสาทที่ดูมีแนวโน้มดีในหนูจำนวนมากกลับล้มเหลวในการทดลองทางคลินิกในมนุษย์ เนื่องจากในระดับพื้นฐานแล้ว สมองของทั้งสองถูกออกแบบให้มีสายไฟที่แตกต่างกัน

ในทางกลับกัน ลิงมาร์โมเซตซึ่งเป็นไพรเมตโลกใหม่ มีโครงสร้างสมองที่คล้ายคลึงกับมนุษย์มากกว่า แผนที่สมองใหม่นี้จะบอกนักวิจัยว่าบริเวณสมองของหนูส่วนใดที่มีส่วนเทียบเท่า (homologs) โดยตรงในลิงมาร์โมเซต ซึ่งหมายความว่าการค้นพบจากสมองหนูในส่วนนั้นมีแนวโน้มที่จะเป็นจริงในมนุษย์

สะพานเชื่อมสู่การแปลผล

นี่คือวิธีที่นักวิจัยสามารถนำแผนที่นี้ไปใช้ในทางปฏิบัติ:

• หากผลการทดลองในหนูเกี่ยวข้องกับบริเวณสมองที่จับคู่กับลิงมาร์โมเซตได้อย่างชัดเจน (และต่อเนื่องไปถึงมนุษย์) ผลการค้นพบนี้ก็มีโอกาสสูงที่จะประสบความสำเร็จในการแปลผลสู่มนุษย์
• ในทางกลับกัน หากผลการทดลองเกี่ยวข้องกับบริเวณที่พบเฉพาะในหนู ซึ่งไม่มีคู่เทียบในไพรเมต การค้นพบนั้นก็มีแนวโน้มต่ำที่จะนำไปใช้กับมนุษย์ได้

ผลกระทบต่อการพัฒนายา

แผนที่นี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถตรวจสอบได้ว่าเป้าหมายของยาหรือการปรับแต่งวงจรประสาทที่ได้ผลในแบบจำลองหนูนั้นมีคู่เทียบในสมองของไพรเมตที่ไม่ใช่มนุษย์หรือไม่ ก่อนที่จะต้องเสียค่าใช้จ่ายมหาศาลในการทดลองในมนุษย์ ซึ่งจะช่วยให้สามารถจัดลำดับความสำคัญของตัวยาที่มีแนวโน้มดีที่สุด และลดอัตราความล้มเหลวที่สูงของการรักษาทดลองที่สำเร็จในหนูแต่ล้มเหลวในมนุษย์

บริบทที่กว้างขึ้น

แผนที่สมองข้ามสายพันธุ์นี้สร้างขึ้นจากผลงานการทำแผนที่สมองหลายทศวรรษของ CSHL รวมถึงโครงการ Mouse Brain Architecture Project และการมีส่วนร่วมในโครงการแผนที่สมองลิงมาร์โมเซต Brain/MINDS ในญี่ปุ่น แผนที่นี้เป็นกรอบการทำงานแบบครบวงจรสำหรับการเปรียบเทียบโครงสร้างสมองข้ามสายพันธุ์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมทั้งหมด

สำหรับนักวิจัยที่กำลังพัฒนาวิธีการรักษาใหม่ๆ สำหรับโรคทางระบบประสาทและจิตเวช แผนที่นี้เสนอเครื่องมือตรวจสอบความเป็นจริงที่จำเป็นอย่างยิ่ง และเป็นหนทางในการมุ่งทรัพยากรไปที่การค้นพบที่มีแนวโน้มมากที่สุดที่จะก้าวกระโดดจากหนูสู่มนุษย์

ประเด็นสำคัญ

ผลการวิเคราะห์ของทีม CSHL พบว่า 43% ของโครงสร้างสมองระดับ leaf-level ของหนู มีคู่เทียบโดยตรงแบบหนึ่งต่อหนึ่งในสมองของลิงมาร์โมเซต ส่วนที่เหลืออาจเป็นลักษณะเฉพาะที่วิวัฒนาการขึ้นมาต่างหากในแต่ละสปีชีส์ แผนที่ข้ามสายพันธุ์นี้ช่วยให้นักประสาทวิทยามีเครื่องมือที่เป็นระบบในการตัดสินใจว่างานวิจัยจากหนูเรื่องไหนคุ้มค่าที่จะนำไปศึกษาในไพรเมตต่อไป และเรื่องไหนน่าจะเป็น 'ทางตันเชิงวิวัฒนาการ' สำหรับการแพทย์ของมนุษย์