ปีแห่งชีววิทยา

ความทรงจำของเราเป็นรากฐานสำคัญของอัตลักษณ์ของเรา ความสำคัญของสิ่งเหล่านี้คือส่วนสำคัญที่ทำให้โรคอัลไซเมอร์และภาวะสมองเสื่อมรูปแบบอื่นๆ โหดร้ายและฉุนเฉียวมาก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมเราถึงหวังเป็นอย่างยิ่งว่าวิทยาศาสตร์จะสามารถรักษาโรคอัลไซเมอร์ได้ และเหตุใดจึงเป็นเรื่องน่าหงุดหงิดและน่าเศร้าที่วิธีการรักษาที่เป็นประโยชน์เกิดขึ้นได้ช้า จึงมีความตื่นเต้นอย่างมากในการประกาศเมื่อเดือนกันยายนว่ายาตัวใหม่ชื่อ lecanemab ช่วยชะลอการลุกลามของโรคในการทดลองทางคลินิก หากได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา ยา lecanemab จะกลายเป็นเพียงวิธีที่สองในการรักษาโรคอัลไซเมอร์ที่สามารถต่อต้านโปรตีนอะไมลอยด์-เบต้า ซึ่งเชื่อกันอย่างกว้างขวางว่าเป็นสาเหตุของโรค 

แต่ผลกระทบของ lecanemab นั้นน้อยมากจนนักวิจัยถกเถียงกันว่ายาจะสร้างความแตกต่างในทางปฏิบัติสำหรับผู้ป่วยหรือไม่ ความจริงที่ว่า lecanemab โดดเด่นในฐานะจุดสว่างบ่งบอกว่าประวัติศาสตร์การวิจัยเกี่ยวกับการรักษาโรคอัลไซเมอร์นั้นน่าหดหู่เพียงใด ในขณะเดียวกัน ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับชีววิทยาที่กำลังเกิดขึ้นกำลังกระตุ้นให้เกิดความสนใจในทฤษฎีทางเลือกชั้นนำสำหรับสิ่งที่ทำให้เกิดโรค

การคาดเดาเกี่ยวกับวิธีการทำงานของความทรงจำอย่างน้อยก็เก่าแก่พอ ๆ กับเพลโตซึ่งหนึ่งในบทสนทนาแบบโสคราตีสของเขาเขียนเกี่ยวกับ "ของขวัญแห่งความทรงจำ มารดาของมิวส์" และเปรียบเทียบการทำงานของมันกับตราประทับขี้ผึ้งในดวงวิญญาณ เรารู้สึกขอบคุณที่วิทยาศาสตร์ได้พัฒนาความเข้าใจของเราในเรื่องความทรงจำอย่างมากนับตั้งแต่สมัยของเพลโต โดยไม่ต้องใช้ตราประทับขี้ผึ้ง พร้อมด้วย "เอ็นแกรม" ของการเปลี่ยนแปลงในเซลล์ประสาทของเรา ในปีที่ผ่านมาเพียงปีเดียวนี้ นักวิจัยได้ก้าวไปอย่างน่าตื่นเต้นในการเรียนรู้ว่าสมองในด้านต่างๆ ของความทรงจำของเราอาศัยอยู่ที่ไหนและอย่างไร ที่น่าแปลกใจกว่านั้นคือพวกเขายังพบกลไกทางชีวเคมีที่แยกแยะความทรงจำที่ดีจากความทรงจำที่ไม่ดีอีกด้วย

เนื่องจากเราเป็นสิ่งมีชีวิตที่มีสมอง เราจึงมักคิดถึงความทรงจำในแง่ระบบประสาทล้วนๆ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อต้นปี 2022 โดยนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนีย ระบุว่า แม้แต่เซลล์แต่ละเซลล์ในเนื้อเยื่อที่กำลังพัฒนาก็อาจมีบันทึกประวัติเชื้อสายของมันด้วย เซลล์ต้นกำเนิดเหล่านี้ดูเหมือนจะอาศัยข้อมูลที่เก็บไว้เมื่อต้องเผชิญกับการตัดสินใจว่าจะเชี่ยวชาญในการตอบสนองต่อสัญญาณทางเคมีอย่างไร ความก้าวหน้าทางชีววิทยาในปีที่ผ่านมาได้เผยให้เห็นความประหลาดใจอื่นๆ อีกมากมายเช่นกัน รวมถึงข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิธีที่สมองปรับตัวเข้ากับภาวะขาดอาหารที่เพิ่มขึ้น และวิธีที่เซลล์เคลื่อนตัวไปตามเส้นทางผ่านร่างกาย คุ้มค่าที่จะมองย้อนกลับไปดูผลงานที่ดีที่สุดบางส่วน ก่อนที่การเปิดเผยในปีที่จะถึงนี้จะทำให้เรามีมุมมองใหม่เกี่ยวกับตัวเราอีกครั้ง

ผู้คนจำนวนมากที่เกี่ยวข้องกับโรคอัลไซเมอร์ ไม่ว่าจะผ่านการวิจัยหรือผ่านความสัมพันธ์ส่วนตัวกับผู้ป่วย หวังว่าปี 2022 จะเป็นปีแห่งธง การทดลองทางคลินิกที่สำคัญๆ ในที่สุดก็เผยให้เห็นว่ายาใหม่ XNUMX ชนิดที่จัดการกับสาเหตุที่แท้จริงของโรคได้ผลหรือไม่ ผลลัพธ์ที่ได้ลดลงอย่างน่าเสียดายจากความคาดหวัง ยาตัวหนึ่งคือ lecanemab มีศักยภาพในการชะลอการลดลงของความรู้ความเข้าใจของผู้ป่วยบางรายเล็กน้อย แต่ยังเชื่อมโยงกับผลข้างเคียงที่ร้ายแรงในบางครั้ง อีกอันคือ gantenerumab ถือเป็นความล้มเหลวโดยสิ้นเชิง 

ผลลัพธ์ที่น่าผิดหวังครอบคลุมการวิจัยนานสามทศวรรษซึ่งมีพื้นฐานมาจากทฤษฎีที่ว่าโรคอัลไซเมอร์มีสาเหตุมาจากแผ่นโปรตีนอะไมลอยด์ที่สร้างขึ้นระหว่างเซลล์สมองและฆ่าพวกมัน อย่างไรก็ตาม หลักฐานที่เพิ่มขึ้นชี้ให้เห็นว่าอะไมลอยด์เป็นเพียงองค์ประกอบเดียวใน กระบวนการเกิดโรคที่ซับซ้อนมากขึ้น ที่เกี่ยวข้องกับการทำลายการอักเสบและการทำงานผิดปกติในการที่เซลล์รีไซเคิลโปรตีน แนวคิดเหล่านี้ส่วนใหญ่มีมานานพอ ๆ กับสมมติฐานของอะไมลอยด์ แต่เพิ่งเริ่มได้รับความสนใจอย่างที่สมควรได้รับ

ที่จริงแล้ว การรวมตัวของโปรตีนรอบๆ เซลล์เริ่มมีลักษณะเหมือน ปรากฏการณ์ที่เกือบจะเป็นสากล ในเนื้อเยื่อที่แก่ชราและไม่ใช่สภาวะเฉพาะของโรคอะไมลอยด์และอัลไซเมอร์ ตามงานของนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดที่ได้รับการประกาศในการพิมพ์ล่วงหน้าเมื่อฤดูใบไม้ผลิที่แล้ว การสังเกตอาจเป็นข้อพิสูจน์อีกประการหนึ่งว่าปัญหาที่แย่ลงกับการจัดการโปรตีนอาจเป็นผลมาจากความชราของเซลล์

นักประสาทวิทยาเข้าใจมานานแล้วว่าความทรงจำก่อตัวอย่างไรโดยหลักการแล้ว พวกเขารู้ว่าในขณะที่สมองรับรู้ รู้สึก และคิด กิจกรรมของระบบประสาทที่ก่อให้เกิดประสบการณ์เหล่านั้นจะเสริมสร้างการเชื่อมต่อซินแนปติกระหว่างเซลล์ประสาทที่เกี่ยวข้อง การเปลี่ยนแปลงที่ยั่งยืนในวงจรประสาทของเรากลายเป็นบันทึกทางกายภาพของความทรงจำของเรา ทำให้สามารถปลุกรูปแบบทางไฟฟ้าของประสบการณ์ของเราขึ้นมาใหม่ได้เมื่อจำเป็น รายละเอียดที่แท้จริงของกระบวนการนั้นยังคงเป็นความลับ เมื่อต้นปีนี้ สิ่งที่เปลี่ยนไปเมื่อนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซาเทิร์นแคลิฟอร์เนีย อธิบายเทคนิคสำหรับ การมองเห็นการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้น ที่เกิดขึ้นในสมองที่มีชีวิต ซึ่งพวกเขาเคยเฝ้าดูปลาเรียนรู้ที่จะเชื่อมโยงความร้อนที่ไม่พึงประสงค์เข้ากับสัญญาณแสง พวกเขาประหลาดใจที่กระบวนการนี้ทำให้ไซแนปส์บางส่วนแข็งแกร่งขึ้น แต่กระบวนการอื่นก็ลบออกไป 

ข้อมูลในหน่วยความจำเป็นเพียงส่วนหนึ่งของสิ่งที่สมองจัดเก็บไว้ ความทรงจำยังถูกเข้ารหัสด้วย “ความจุ” ทางอารมณ์ ที่จัดหมวดหมู่ว่าเป็นประสบการณ์เชิงบวกหรือเชิงลบ ฤดูร้อนที่แล้ว นักวิจัยรายงานว่าระดับของโมเลกุลเดี่ยวที่ปล่อยออกมาจากเซลล์ประสาทที่เรียกว่านิวโรเทนซิน ดูเหมือนจะทำหน้าที่เป็นธงสำหรับการติดฉลากนั้น 

ชีวิตบนโลกเริ่มต้นด้วยการปรากฏตัวครั้งแรกของเซลล์เมื่อประมาณ 3.8 พันล้านปีก่อน แต่ที่ขัดแย้งกัน ก่อนที่จะมีเซลล์ ต้องมีกลุ่มของโมเลกุลที่ทำสิ่งที่เหมือนมีชีวิตอย่างน่าประหลาดใจมาก่อน ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยในญี่ปุ่นได้ทำการทดลองกับโมเลกุล RNA เพื่อเรียนรู้ว่าโมเลกุลที่จำลองแบบเพียงชนิดเดียวสามารถพัฒนาไปสู่กลุ่มตัวจำลองที่แตกต่างกันได้หรือไม่ เนื่องจากนักวิจัยเกี่ยวกับต้นกำเนิดของชีวิตได้ตั้งทฤษฎีไว้ว่าต้องเกิดขึ้นในธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นพบว่าความหลากหลายนี้เกิดขึ้น โดยโมเลกุลต่างๆ พัฒนาไปเป็นโฮสต์และปรสิตที่แข่งขันกันซึ่งเพิ่มขึ้นและลดลงอย่างมีอำนาจเหนือกว่า เมื่อเดือนมีนาคมที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์รายงานการพัฒนาใหม่: โมเลกุลที่หลากหลายได้เริ่มทำงานร่วมกันใน ระบบนิเวศน์มีเสถียรภาพมากขึ้น. งานของพวกเขาชี้ให้เห็นว่า RNA และโมเลกุลอื่น ๆ ในโลกของพรีไบโอติกก็สามารถวิวัฒนาการร่วมกันเพื่อวางรากฐานของชีวิตเซลล์ได้เช่นกัน

การจำลองตัวเองมักถือเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญในสมมติฐานต้นกำเนิดของชีวิต แต่ก็ไม่จำเป็นต้องเป็นเช่นนั้น ในปีนี้ นิค เลนและนักชีววิทยาเชิงวิวัฒนาการคนอื่นๆ ยังคงค้นหาหลักฐานว่า ก่อนมีเซลล์ ระบบ "โปรโตเมแทบอลิซึม" ที่เกี่ยวข้องกับชุดปฏิกิริยาพลังงานที่ซับซ้อนอาจเกิดขึ้นในวัสดุที่มีรูพรุนใกล้กับปล่องไฮโดรเทอร์มอล

เซลล์ไข่ที่ปฏิสนธิเพียงเซลล์เดียวจะเติบโตเป็นร่างกายมนุษย์ที่โตเต็มวัยโดยมีเซลล์มากกว่า 30 ล้านล้านเซลล์ในหมวดหมู่เฉพาะมากกว่า 200 หมวดหมู่ได้อย่างไร มันเป็นความลึกลับแก่นสารของการพัฒนา ตลอดศตวรรษที่ผ่านมา คำอธิบายที่เด่นชัดคือการที่การไล่ระดับทางเคมีที่เกิดขึ้นในส่วนต่างๆ ของร่างกายที่กำลังพัฒนาจะนำทางเซลล์ไปยังจุดที่ต้องการ และบอกวิธีแยกความแตกต่างในองค์ประกอบของผิวหนัง กล้ามเนื้อ กระดูก สมอง และอื่นๆ อวัยวะ 

แต่สารเคมีในปัจจุบันดูเหมือนจะเป็นเพียงส่วนหนึ่งของคำตอบเท่านั้น งานล่าสุดแสดงให้เห็นว่าในขณะที่เซลล์ใช้เบาะแสการไล่ระดับทางเคมีเพื่อเป็นแนวทางในการนำทาง แต่พวกมันก็ปฏิบัติตามเช่นกัน รูปแบบของความตึงเครียดทางกายภาพ ในเนื้อเยื่อที่อยู่รอบๆ เหมือนคนเดินไต่เชือกที่เดินข้ามสายเคเบิลที่ตึง ความตึงเครียดทางร่างกายเป็นมากกว่าการบอกเซลล์ว่าจะไปที่ไหน งานอื่นๆ ที่รายงานเมื่อเดือนพฤษภาคมแสดงให้เห็นว่าแรงทางกลภายในเอ็มบริโอยังช่วยกระตุ้นชุดของเซลล์ด้วย กลายเป็นโครงสร้างเฉพาะเช่นขนนกแทนผิวหนัง

ในขณะเดียวกัน นักชีววิทยาสังเคราะห์ — นักวิจัยที่ใช้วิธีการทางวิศวกรรมในการศึกษาสิ่งมีชีวิต — มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการทำความเข้าใจประเภทของอัลกอริทึมทางพันธุกรรมที่ควบคุมวิธีที่เซลล์สร้างความแตกต่างในการตอบสนองต่อสัญญาณทางเคมี ทีมงานของ Caltech สาธิตการใช้ เครือข่ายยีนประดิษฐ์ ที่สามารถเปลี่ยนสเต็มเซลล์ให้เป็นเซลล์พิเศษหลายประเภทได้อย่างเสถียร พวกเขาไม่ได้ระบุว่าระบบควบคุมทางพันธุกรรมตามธรรมชาติในเซลล์คืออะไร แต่ความสำเร็จของแบบจำลองของพวกเขาพิสูจน์ให้เห็นว่าไม่ว่าระบบที่แท้จริงจะเป็นเช่นไร ก็ไม่จำเป็นต้องซับซ้อนกว่านี้มากนัก

สมองเป็นอวัยวะที่หิวพลังงานมากที่สุดในร่างกาย ดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่วิวัฒนาการได้คิดค้นกลยุทธ์ฉุกเฉินเพื่อช่วยให้สมองรับมือกับการขาดอาหารเป็นเวลานานได้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระค้นพบว่า เมื่อหนูต้องอยู่รอดด้วยอาหารปริมาณน้อยเป็นเวลาหลายสัปดาห์ติดต่อกัน สมองของพวกมันจะเริ่มทำงานเทียบเท่ากับ โหมด "พลังงานต่ำ". 

ในสภาวะนี้ เซลล์ประสาทในคอร์เทกซ์การมองเห็นจะใช้พลังงานที่ไซแนปส์น้อยลงเกือบ 30% จากมุมมองทางวิศวกรรม มันเป็นวิธีแก้ปัญหาที่ยอดเยี่ยมสำหรับการยืดแหล่งพลังงานของสมอง แต่ก็มีข้อดีอยู่ โหมดพลังงานต่ำจะลดความละเอียดในการมองเห็นของสัตว์ลงโดยทำให้กระบวนการของระบบการมองเห็นส่งสัญญาณไม่แม่นยำยิ่งขึ้น 

เมื่อเร็ว ๆ นี้ มุมมองทางวิศวกรรมของสมองยังช่วยปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับระบบประสาทสัมผัสอื่น ๆ นั่นก็คือ การรับรู้กลิ่นของเรา นักวิจัยพยายามปรับปรุงความสามารถของ “จมูกเทียม” ที่ใช้คอมพิวเตอร์ในการจดจำกลิ่น โครงสร้างทางเคมีเพียงอย่างเดียวมีส่วนช่วยอย่างมากในการกำหนดกลิ่นที่เราเชื่อมโยงกับโมเลกุลต่างๆ แต่ผลงานใหม่ชี้ให้เห็นว่า กระบวนการเผาผลาญ ที่สร้างโมเลกุลในธรรมชาติยังสะท้อนความรู้สึกของเราต่อกลิ่นของโมเลกุลอีกด้วย โครงข่ายประสาทเทียมที่รวมข้อมูลเมตาบอลิซึมไว้ในการวิเคราะห์มีความใกล้เคียงกับการจำแนกกลิ่นในลักษณะเดียวกับที่มนุษย์ทำอย่างมาก

สมองของมนุษย์ที่มีชีวิตยังคงเป็นสิ่งที่ยากอย่างน่าเหลือเชื่อสำหรับนักประสาทวิทยาในการศึกษา: กะโหลกศีรษะขัดขวางการมองเห็นของพวกเขา และการพิจารณาทางจริยธรรมทำให้ไม่มีการทดลองที่อาจให้ข้อมูลมากมาย นั่นเป็นสาเหตุที่นักวิจัยเริ่มปลูกเนื้อเยื่อสมองที่แยกออกมาในห้องปฏิบัติการ และปล่อยให้มันก่อตัวเป็น “สารอินทรีย์” ซึ่งมีความคล้ายคลึงทางกายภาพและทางไฟฟ้ากับสมองของจริง ในปีนี้ นักประสาทวิทยา Sergiu Paşca และเพื่อนร่วมงานของเขาแสดงให้เห็นว่าความคล้ายคลึงเหล่านี้ไปไกลแค่ไหนเมื่อปลูกถ่าย อวัยวะในสมองของมนุษย์ สู่หนูทดลองที่เกิดใหม่ เซลล์ของมนุษย์รวมตัวเองเข้ากับวงจรประสาทของสัตว์และมีบทบาทในการรับรู้กลิ่น ยิ่งไปกว่านั้น เซลล์ประสาทที่ได้รับการปลูกถ่ายยังดูมีสุขภาพดีกว่าเซลล์ประสาทที่เติบโตในสารอินทรีย์ที่แยกได้ ซึ่งแสดงให้เห็นดังที่Paşcaระบุไว้ใน การสัมภาษณ์ กับ ควอนตั้มความสำคัญของการจัดหาอินพุตและเอาต์พุตให้กับเซลล์ประสาท งานดังกล่าวชี้ให้เห็นถึงแนวทางในการพัฒนาแบบจำลองการทดลองที่ดีขึ้นสำหรับสมองมนุษย์ในอนาคต