แบบจำลองสมองมนุษย์ขนาดจิ๋ว กุญแจไขความลับอวัยวะที่ซับซ้อน

เซลล์ประสาท (สีเขียว) กำลังเคลื่อนที่อยู่ภายในแบบจำลองสมองที่เลี้ยงขึ้นในห้องปฏิบัติการซึ่งเรียกว่า แอสเซมบลอยด์ (assembloid) โดยสร้างขึ้นจากการรวมตัวกันของออร์แกนอยด์ (organoids) Credit: Sergiu Pasca's Lab, Stanford University

สมองมนุษย์คือหนึ่งในอวัยวะที่ซับซ้อนที่สุด เซลล์นับหมื่นล้านเซลล์ถูกสร้างขึ้นอย่างแม่นยำ มีการเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ถูกต้อง แยกตัวเป็นเซลล์หลากหลายชนิดนับพัน และมีการสร้างเครือข่ายการเชื่อมต่อประสาทที่ละเอียดอ่อน กระบวนการส่วนใหญ่เริ่มตั้งแต่ระยะตัวอ่อน และยังคงพัฒนาต่อเนื่องยาวนานไปจนถึงวัยผู้ใหญ่ตอนต้น การศึกษากระบวนการอันซับซ้อนนี้เป็นเรื่องยาก นักวิทยาศาสตร์ต้องอาศัยแบบจำลองสัตว์หรือเนื้อเยื่อสมองมนุษย์ที่มีจำกัด อย่างไรก็ตาม “ออร์แกนอยด์” (organoids) หรือแบบจำลองอวัยวะขนาดจิ๋วที่เพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ ได้เปลี่ยนความคิดของการศึกษากระบวนการทางชีวภาพนี้ไปอย่างสิ้นเชิง โดยออร์แกนอยด์สมองนี้ถูกสร้างขึ้นจากเซลล์ต้นกำเนิดพลูริโพเทนต์ (induced pluripotent stem cells: iPS cells) ซึ่งเป็นเซลล์ผู้ใหญ่ที่ถูกรีโปรแกรมให้ย้อนกลับสู่สภาวะเริ่มต้น เซลล์เหล่านี้สามารถพัฒนาเป็นโครงสร้างสามมิติที่เลียนแบบสมองในระยะเริ่มต้นได้แม้จะยังไม่สมบูรณ์เหมือนสมองจริง แต่ก็สามารถสะท้อนรูปแบบการพัฒนาและลำดับเวลาทางชีววิทยาได้ใกล้เคียง

ความก้าวหน้าสำคัญนี้เกิดขึ้นเมื่อนักวิจัยค้นพบโดยบังเอิญว่าเซลล์สามารถรวมตัวเป็นโครงสร้างคล้ายสมองได้เอง นำไปสู่การทดลองสร้างออร์แกนอยด์สมองของมนุษย์ที่สามารถเติบโตได้นานหลายเดือนและแสดงลักษณะเฉพาะของสมองมนุษย์ เช่น การมีเซลล์ต้นกำเนิดชนิดพิเศษที่เรียกว่า outer radial glia ซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับการขยายขนาดสมองในมนุษย์

ออร์แกนอยด์สมอง (Brain organoids) บางส่วนสามารถมีชีวิตอยู่ได้นานหลายเดือนหรืออาจจะหลายปีภายในห้องปฏิบัติการ Credit: Timothy Archibald

ออร์แกนอยด์ได้กลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการศึกษาทั้งพัฒนาการและโรคทางสมอง นักวิจัยสามารถใช้จำลองโรค เช่น ภาวะศีรษะเล็ก (microcephaly) ซึ่งพบว่าเกิดจากการที่เซลล์ต้นกำเนิดประสาทหยุดเพิ่มจำนวนเร็วเกินไปหรือใช้ศึกษาการติดเชื้อ เช่น ไวรัสซิกา ที่ส่งผลกระทบต่อการพัฒนาสมองโดยตรง นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังพัฒนาแนวคิด “อัสเซมบลอยด์” (assembloids) ซึ่งเป็นการนำออร์แกนอยด์จากสมองส่วนต่างๆ มาประกอบเข้าด้วยกัน เพื่อศึกษาการเชื่อมต่อของวงจรประสาท ตัวอย่างเช่น การเชื่อมระหว่างเปลือกสมองกับส่วนที่ควบคุมเซลล์ประสาทระงับ ซึ่งช่วยให้เข้าใจสมดุลของวงจรประสาทที่เกี่ยวข้องกับโรคอย่างออทิสติกและโรคจิตเภท อีกแนวทางหนึ่งคือ “ไคเมรอยด์” (chimeroids) ซึ่งผสมเซลล์จากบุคคลหลายคนเข้าด้วยกัน เพื่อศึกษาความแตกต่างของการตอบสนองต่อยา หรือความหลากหลายทางระบบประสาท (neurodiversity) ในระดับเซลล์

แม้ออร์แกนอยด์จะเปิดประตูสู่ความเข้าใจใหม่ๆ แต่ก็ยังมีข้อจำกัดสำคัญ เช่น ความซับซ้อนที่ยังไม่เทียบเท่าสมองจริง การเพาะเลี้ยงยากและต้องใช้ระยะเวลายาวนานและคำถามด้านจริยธรรมที่เริ่มถูกตั้งขึ้น โดยเฉพาะประเด็นว่า ในอนาคตออร์แกนอยด์อาจพัฒนาไปถึงระดับที่มี “ความรู้สึกนึกคิด” หรือไม่ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เห็นพ้องว่ายังห่างไกลจากจุดนั้นมาก ความท้าทายอีกประการคือ “เวลา” สมองมนุษย์ใช้เวลาหลายปีในการพัฒนา แต่งานวิจัยต้องการคำตอบที่รวดเร็ว นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามเร่งกระบวนการพัฒนาในห้องทดลอง แม้ว่าจะยังไม่เข้าใจผลกระทบทั้งหมดของการเร่งกระบวนการเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม ความหวังทางการแพทย์กำลังใกล้เป็นจริง นักวิจัยเริ่มวางแผนการทดลองทางคลินิกครั้งแรกของการรักษาที่พัฒนาจากออร์แกนอยด์ โดยมุ่งเป้าไปที่โรคทางพันธุกรรมที่ส่งผลต่อสมอง ซึ่งอาจเป็นก้าวสำคัญสู่การรักษาโรคที่เคยยากจะเข้าถึง

ออร์แกนอยด์สมองกำลังเปลี่ยนวิธีที่ใช้ศึกษาอวัยวะที่ซับซ้อนที่สุดในร่างกาย จากสิ่งที่เคยเป็นสิ่งที่ยากจะเข้าถึง กลายเป็นระบบที่สามารถสังเกต ทดลอง และเข้าใจได้มากขึ้น และในทศวรรษข้างหน้า เทคโนโลยีนี้อาจช่วยเปิดเผยรากฐานของโรคทางสมอง และนำไปสู่การรักษาใหม่ๆ ที่แม่นยำยิ่งขึ้น

ภาพตัดขวางของออร์แกนอยด์สมองมนุษย์ แสดงให้เห็นเซลล์ต้นกำเนิดประสาท (สีเขียว) และเซลล์ประสาท (สีชมพู) Credit: Sandra Schepers, Knoblich laboratory, IMBA, Vienna Biocenter

ที่มา: Mini models of the human brain are revealing how this complex organ takes shape, https://www.nature.com/articles/d41586-026-01025-6

Reconstructing human corticogenesis: Insights from cerebral organoids into neurodevelopment and disease modeling, https://www.nature.com/articles/s41593-021-00802-y