WHOLISTIC ช่วยให้นักวิจัยมองเห็นการสื่อสารของเซลล์ทั่วทั้งปลาม้าลาย

การทำงานของร่างกายไม่เคยเกิดขึ้นในอวัยวะเดียว สมอง ระบบไหลเวียนเลือด ระบบย่อยอาหาร และการรับความรู้สึกอาจเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกันได้ แต่การถ่ายภาพสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มักมองได้เพียงเนื้อเยื่อหรืออวัยวะเดียวในแต่ละครั้ง

ทีมนักวิทยาศาสตร์จึงพัฒนา WHOLISTIC ซึ่งย่อมาจาก WHole Organism Live Imaging System for recording Tissue and IntraCellular activity เพื่อมองพลวัตของเซลล์ทั่วตัวในปลาม้าลาย (Danio rerio) วัยอ่อนที่มีลำตัวโปร่งใส เทคนิคนี้ผสานการถ่ายภาพเรืองแสงสามมิติอย่างรวดเร็ว เซ็นเซอร์แคลเซียมที่ดัดแปลงพันธุกรรมให้แสดงออกในเซลล์วงกว้าง และการวิเคราะห์ด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อบันทึกกิจกรรมภายในเซลล์ที่เปลี่ยนตามเวลาในระดับวินาที 2

WHOLISTIC ทำงานอย่างไร

ปลาม้าลายวัยอ่อนเหมาะกับการถ่ายภาพเชิงแสง เพราะเนื้อเยื่อภายในยังมองเห็นได้จากภายนอก นักวิจัยใช้เซ็นเซอร์แคลเซียมที่ทำให้ความเข้มของแสงเรืองเปลี่ยนไปตามพลวัตของแคลเซียมภายในเซลล์ จึงใช้เป็นตัวบ่งชี้การเปลี่ยนสถานะของเซลล์ได้ 2

หัวใจของระบบมี 3 ส่วน ได้แก่

• กล้องจุลทรรศน์เรืองแสงแบบปริมาตร ที่เก็บภาพสามมิติของสัตว์ซ้ำ ๆ แทนการมองเพียงระนาบเดียว 2
• การติดฉลากสัญญาณแคลเซียมในเซลล์อย่างกว้างขวาง ทำให้สังเกตกิจกรรมได้ครอบคลุมหลายชนิดเซลล์และหลายระบบอวัยวะ ไม่จำกัดเฉพาะเซลล์ประสาท 2
• การประมวลผลเชิงคำนวณและแมชชีนเลิร์นนิง เพื่อระบุโครงสร้างของเซลล์ที่มีสัญญาณ และจัดระเบียบข้อมูลขนาดใหญ่ให้อ่านเป็นรูปแบบกิจกรรมที่ตีความได้ 2

ผลลัพธ์คือ นักวิจัยสามารถดูพลวัตของเซลล์ทั่วสิ่งมีชีวิตแบบเกือบเรียลไทม์ และมองหาความเชื่อมโยงระหว่างอวัยวะต่าง ๆ ภายในการทดลองเดียวกันได้ 2

อย่างไรก็ดี สัญญาณแคลเซียมเป็นตัวแทนของกิจกรรมภายในเซลล์ ไม่ได้บอกโดยตรงว่าเซลล์ใดเชื่อมต่อกับเซลล์ใด หรือพิสูจน์ว่าเซลล์หนึ่งเป็นสาเหตุให้อีกเซลล์ตอบสนอง 2

สิ่งที่เห็นเมื่อมองทั้งร่างกาย

ภาวะออกซิเจนต่ำและการปรับทิศทางเลือด

เมื่ออยู่ในภาวะออกซิเจนต่ำ ระบบเผยให้เห็นกิจกรรมที่ประสานกันพร้อมการเปลี่ยนแปลงของการไหลเวียนเลือด แกลเลอรีของ Janelia แสดงให้เห็นว่าเลือดไหลเวียนลดลงในบริเวณเมเซนเทอรี ขณะที่การไหลเวียนมุ่งไปยังสมองและหัวใจมากขึ้น 8

ภาพนี้สนับสนุนแนวคิดว่าร่างกายอาจร่วมกันจัดลำดับความสำคัญของการส่งออกซิเจนไปสู่อวัยวะสำคัญ แต่กลไกวงจรที่เป็นเหตุโดยตรงยังต้องทดสอบต่อด้วยการทดลองแบบเจาะจง 28

พลวัตในไขสันหลังและเซลล์เอเพนไดมอล

WHOLISTIC ยังตรวจพบรูปแบบกิจกรรมที่ประสานกันในไขสันหลังและในเซลล์เอเพนไดมอล ซึ่งเป็นเซลล์ที่บุระบบโพรงสมองและไขสันหลัง การสังเกตนี้ชี้ว่ากิจกรรมสำคัญอาจขยายออกไปไกลกว่าผังที่มุ่งดูเฉพาะเซลล์ประสาท 2

กิจกรรมของเซลล์เอเพนไดมอลที่สัมพันธ์กับภาวะของร่างกายอาจเกี่ยวข้องกับสรีรวิทยาที่สัมพันธ์กับการนอนหลับได้ แต่ยังเป็นเพียงสมมติฐาน เพราะความสัมพันธ์ของสัญญาณแคลเซียมเพียงอย่างเดียวไม่ยืนยันหน้าที่ด้านการนอนหลับ 2

คีตามีนส่งผลข้ามขอบเขตเนื้อเยื่อ

การตอบสนองต่อยาสามารถเกิดขึ้นได้ในหลายชนิดเซลล์และหลายส่วนของร่างกาย เมื่อศึกษาการได้รับคีตามีนแบบเฉียบพลัน นักวิจัยพบผลที่เกี่ยวข้องทั้งกับเนื้อเยื่อประสาทและเยื่อหุ้มสมอง 2

นี่เป็นตัวอย่างของประโยชน์เชิงปฏิบัติของการมองทั้งร่างกาย หากวัดเฉพาะเซลล์ประสาท ก็อาจพลาดการตอบสนองของเนื้อเยื่อที่อยู่ข้างเคียงไปได้ 2

เซลล์ที่เกี่ยวข้องกับกระดูกอ่อนตอบสนองต่อความเย็น

การทดลองลดอุณหภูมิยังพบการตอบสนองของสัญญาณแคลเซียมในเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับกระดูกอ่อน ข้อสังเกตนี้บ่งชี้ว่ากิจกรรมที่เชื่อมโยงกับอุณหภูมิอาจไม่ได้จำกัดอยู่ในระบบประสาท และช่วยเปิดทางให้ตรวจสอบบทบาทด้านการรับความรู้สึกของเนื้อเยื่อที่ไม่ใช่เซลล์ประสาทต่อไป 2

เหตุใดเทคนิคนี้จึงสำคัญ

WHOLISTIC ขยายแนวคิดการถ่ายภาพสมองทั้งก้อนในปลาม้าลายไปสู่ส่วนอื่นของร่างกาย งานถ่ายภาพสมองทั้งก้อนในปลาม้าลายที่พัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นแล้วว่าสัตว์มีกระดูกสันหลังที่โปร่งใสสามารถใช้บันทึกกิจกรรมประสาทในวงกว้างได้ ส่วนวิธีใหม่นี้ขยายขอบเขตให้ครอบคลุมหลายระบบอวัยวะและหลายชนิดเซลล์พร้อมกัน 52

จุดแข็งจึงไม่ใช่การอ้างว่ามีแผนที่เหตุและผลของทั้งร่างกายครบถ้วนแล้ว แต่เป็นการสร้างแผนที่กิจกรรมทั่วตัวเพื่อระบุความสัมพันธ์ที่น่าทดสอบต่อ เช่น สมองประสานการไหลเวียนเลือดขณะเผชิญความเครียดอย่างไร หรือยาส่งผลต่อเนื้อเยื่อประสาทและไม่ใช่ประสาทพร้อมกันอย่างไร 2

ทิศทางที่ต่อยอดได้

Janelia นำเสนอผลงานนี้ในฐานะทรัพยากรที่ผสานกล้องจุลทรรศน์ขั้นสูงกับการวิเคราะห์เชิงคำนวณ และมีภาพตัวอย่างผลการทดลอง รวมถึงการเปลี่ยนทิศทางการไหลของเลือดเมื่อออกซิเจนต่ำ 28

แนวทางนี้อาจต่อยอดไปยังปลา Danionella ซึ่งมีขนาดเล็กมากแม้ในวัยโตเต็มวัย จึงเหมาะต่อการบันทึกกิจกรรมทั่วสมองในพฤติกรรมที่พัฒนามากขึ้น นอกจากนี้ เวิร์กโฟลว์กล้องจุลทรรศน์ขยายตัวทั้งร่างกายของ Janelia ยังใช้ได้กับตัวอย่าง Danionella โตเต็มวัยด้วย 114

ข้อควรระวังยังคงเดิม: การถ่ายภาพแคลเซียมแสดงพลวัตของเซลล์ที่เกิดร่วมกัน ไม่ได้พิสูจน์การเชื่อมต่อโดยตรง กลไกระดับโมเลกุลทั้งหมด หรือความเป็นเหตุเป็นผล จุดเด่นของ WHOLISTIC คือทำให้สมมติฐานเกี่ยวกับการสื่อสารข้ามอวัยวะมองเห็นและนำไปทดสอบได้ในสัตว์มีกระดูกสันหลังที่ยังมีชีวิต 2