ใน “การเรียนรู้” สมองทุกส่วนมีหน้าที่สำคัญทั้งสิ้น

วันที่ 08 มิถุนายน 2563 - 14:25 น.

ปัจจุบันความรู้ด้านประสาทวิทยาได้ขยายขอบเขตความสนใจจากกระบวนการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์สมอง (synapses) มาสู่การศึกษากลไกการทำงานของสมองแบบ ‘ทีมเวิร์ค’ มากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในทศวรรษนี้มีงานวิจัยน่าสนใจมากมายที่ช่วยไขความกระจ่างว่าสมองมีกลไกการเรียนรู้อย่างไร ตั้งแต่การทำความเข้าใจว่าข้อมูลถูกรับ-ส่ง ประมวลผล และจัดเก็บอย่างไรขณะเกิดการเรียนรู้

จากบทความ The Brain Learns in Unexpected Ways ใน Scientific American เมื่อวันที่ 1 มีนาคม พ.ศ. 2563 ดร.อาร์ ดักลาส ฟีลด์ส (R. Douglas Fields) นักประสาทวิทยาศาสตร์แห่งสถาบันสุขภาพแห่งชาติ (National Institutes of Health) สหรัฐอเมริกา สรุปประเด็นสำคัญไว้ว่า 

ทั้งนี้ จุดที่น่าสนใจของประสิทธิภาพการทำงานสมองไม่ได้อยู่ที่ว่าเซลล์สามารถรับส่งสัญญาณได้รวดเร็วปรู๊ดปร๊าด แต่อยู่ที่ว่าเซลล์ต้องรับส่งสัญญาณมาบรรจบกันตรงเวลาต่างหาก สมองจึงจะทำงานสัมพันธ์กัน

ประเด็นสำคัญ

• มีความเชื่อว่าการเรียนรู้อุบัติขึ้นที่ synapses หรือ เมื่อเซลล์สมองเชื่อมต่อกัน แต่ความจริงแล้ว กระบวนการเรียนรู้ที่จำเป็นต้องอาศัยข้อมูลที่มาจากสมองหลายส่วน และงานวิจัยในปัจจุบันก็พิสูจน์แล้วว่าไม่ใช่สมองส่วนที่มีเซลล์ประสาท (neuron) เท่านั้นที่ทำหน้าที่
• ในการเรียนรู้ “สมองส่วนสีขาว” (white matter) ซึ่งเป็นส่วนที่ไร้เซลล์ประสาท ที่ถูกมองว่าเป็นส่วนเฉื่อยก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน  
  ในการเรียนรู้และจดจำซึ่งอาศัยการทำงานของสมองหลายส่วน ชุมสายสัญญาณที่สมองใช้สื่อสารจึงสำคัญมาก สมองส่วนที่เก็บชุมสายก็คือ “สมองส่วนสีขาว” นั่นเอง สายสัญญาณคือใยประสาท (axon) ซึ่งถูกหุ้มไว้ด้วยปลอกไมอีลิน (myelin sheath) โดยเจ้าไมอีลินนี้ช่วยให้สมองแต่ละส่วนเชื่อมสัญญาณถึงกัน
• ไมอีลิน (myelin) ช่วยให้การรับส่งข้อมูลระหว่างเซลล์สมองบรรจบตรงเวลากันพอดี เป็นพระเอกสำคัญที่ทำให้สมองเกิดการเรียนรู้ได้ 

เนื่องจากปฐมบทของการศึกษาประสาทวิทยาว่าด้วยการเรียนรู้เกิดจากการทดลองที่พบว่าสุนัขจดจำเสียงกระดิ่งก่อนเวลาอาหารได้จนเกิดอาการน้ำลายไหลทุกครั้งที่ได้ยินเสียง งานศึกษายุคบุกเบิกที่ตามมามากมายจึงต่อยอดอธิบายกระบวนการเรียนรู้ที่เกิดขึ้นในสมองโดยโฟกัสไปที่การทำงานของ “สมองส่วนสีเทา” (gray matter) ซึ่งเป็นชั้นที่ประกอบไปด้วยเซลล์ประสาทจำนวนมาก ทำหน้าที่ควบคุมการคิด การจำ ความรู้สึก และวนเวียนอยู่แต่กับการศึกษาความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นของเซลล์ประสาทระหว่างการเรียนรู้ในสมองชั้นนี้

แต่ช่วงทศวรรษที่ผ่านมานักประสาทวิทยาค้นพบว่า ไม่เพียง “สมองส่วนสีเทา” ซึ่งอยู่เปลือกนอกสุดเท่านั้นที่มีความสำคัญในการบันทึกความทรงจำต่างๆ เอาไว้ใช้ในภายภาคหน้า แต่ “สมองส่วนสีขาว” ลึกลงไปซึ่งเคยถูกมองว่าไร้ชีวิตเพราะปราศจากเซลล์ประสาท (neuron) และไม่มีจุดเชื่อมต่อเซลล์อื่นใดกลับมีความสำคัญต่อกระบวนการเรียนรู้ด้วยเช่นกัน

เครดิตภาพจาก wongkarnpat.com

“สมองส่วนสีเทา” คือ เปลือกสมองชั้นนอก (cerebral cortex) หนา 3 มิลลิเมตร ทำหน้าที่ด้านการรับรู้ ซึ่งบริเวณชั้นนี้เองที่นักวิจัยเชื่อว่ากระบวนการเปลี่ยนแปลงเซลล์จากการเรียนรู้เกิดขึ้นที่นี่เท่านั้น  ถัดไปจากชั้นนี้คือ “สมองส่วนสีขาว” ซึ่งเต็มไปด้วยเส้นใยประสาท(axon) ที่ยื่นมาจากเซลล์สมองสีเทาจนเป็นโครงข่ายวงจรมากมาย โดยสาเหตุที่เรียกว่า “สมองส่วนสีขาว” ก็เพราะเส้นใยประสาทที่กระจุกตัวกันในชั้นนี้ถูกหุ้มด้วยไมอีลิน (myelin) เป็นปล้องๆ หากนึกภาพแล้วชั้นนี้ก็จะเหมือนชุมสายโทรศัพท์ที่มีสายสัญญาณอัดแน่น และสายซึ่งถูกหุ้มฉนวนไว้เป็นปล้องๆเหล่านั้นเรียกว่าปลอกประสาท (myelin sheath) นั่นเอง 

เมื่อเทคโนโลยีด้าน MRI เข้ามามีบทบาท งานวิจัยจึงเริ่มสแกนสมองและสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางสมองชัดเจนขึ้น มีการพบว่าคนที่มีทักษะบางอย่างสูงโครงสร้างทางสมองจะแตกต่างไปจากปกติ เช่น นักดนตรีมีประสาทรับเสียงหนากว่าคนที่ไม่เล่นดนตรี ซึ่งตอนแรกนักวิจัยเข้าใจว่าจุดต่างเล็กๆ นี้อาจเป็นข้อได้เปรียบทางกายภาพที่ทำให้นักคลาริเนตและนักเปียโนเก่งทักษะดังกล่าว แต่ต่อมาก็สามารถพิสูจน์ได้ว่าโครงสร้างของสมองของพวกเขาเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นจากการเรียนรู้ 

ซึ่งนอกจากการฝึกฝนประสาทสัมผัสอย่างใดอย่างหนึ่งซ้ำๆ จะเข้าไปเปลี่ยนแปลงเซลล์สมองได้แล้ว นักประสาทวิทยา Bogdan Draganski  และทีมวิจัยจาก University of Lausanne Switzerland ยังพบว่าสมองของนักเรียนแพทย์ขยายตัวใหญ่ขึ้นหลังทบทวนตำราก่อนสอบ และที่น่าสนใจคือระหว่างการเรียนรู้สมองเปลี่ยนแปลงรูปร่างได้เร็วมากด้วย ในงานวิจัยของ Yaniv Assaf จาก Tel Aviv University ชี้ว่าแค่ช่วงขณะที่เล่นวิดีโอเกมจบ 16 ด่านในหนึ่งรอบ สมองส่วนฮิปโปแคมปัสในส่วนสีเทาซึ่งทำหน้าที่เรียนรู้ด้านมิติสัมพันธ์ ตลอดจน“สมองส่วนสีขาว” ก็เกิดการเปลี่ยนแปลงแล้ว กล่าวคือเซลล์สมองและเซลล์ค้ำจุนอื่นๆ ที่เรียกว่าเซลล์ glia เพิ่มจำนวนขึ้น นอกจากนั้นเส้นใยประสาทจากเซลล์สมองก็เกิดการยื่นและหดเพื่อส่งสัญญาณด้วยเช่นกัน 

ความลับสำคัญของกลไกการเรียนรู้อยู่ที่สมองส่วนสีขาว

ย่างสู่ทศวรรษนี้ เริ่มมีวิจัยที่หันมาสนใจ “สมองส่วนสีขาว” มีการพบว่าสมองส่วนสีขาวของโปรกอล์ฟและนักเล่นกลมืออาชีพแตกต่างจากคนที่เพิ่งฝึกหัด ทั้งยังมีการพิสูจน์ความเกี่ยวพันของสมองส่วนนี้กับ IQ ด้วย นักวิจัยจึงเริ่มหันมาศึกษากลไกการทำงานของสมองส่วนนี้และความเกี่ยวข้องที่มันมีต่อการเรียนรู้มากขึ้น 

เริ่มต้นจากการพบว่าเซลล์ค้ำจุน (เซลล์นอกเหนือจากเซลล์ประสาท เรียกรวมๆว่าเซลล์ glia ) ในสมองขาวที่ก่อนนี้ไม่สลักสำคัญใด สามารถรับรู้และตอบสนองต่อการทำงานของเซลล์ประสาทและสามารถปรับการรับส่งข้อมูลที่เกิดขึ้นในสมองได้ หนึ่งในการค้นพบที่น่าทึ่งและเป็นปัจจัยสำคัญหนึ่งของระบบสื่อประสาททั้งหมดอยู่ที่ปลอกไมอีลินที่หุ้มอยู่บนใยประสาท มีความสามารถในการปรับตัวให้หนาบางกว้างแคบ ช่วยให้การส่งสัญญาณผ่านเส้นใยประสาทอันซับซ้อนเป็นโครงข่ายไม่เพียงสามารถเชื่อมถึง แต่ยังควบคุมให้สัญญาณที่อยู่ใกล้ไกลต่างกันนั้นมาบรรจบพร้อมกันอีกด้วย 

ไมอีลิน

ปลอกประสาท หรือปลอกไมอีลิน เป็นเยื่อไขมันที่หุ้มตัวบนเส้นใยประสาทเป็นปล้องๆ เพื่อเร่ง สปีดการส่งสัญญาณผ่านกระแสไฟฟ้าไปตามแขนงใยประสาทให้เร็วขึ้น ใยประสาทจะถูกหุ้มแบบช่วงเว้นช่วงมีช่องว่างระหว่างปล้องเรียกว่า node of Ranvier ซึ่งมีประจุอิออนกระตุ้นให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เมื่อเซลล์ประสาทจะส่งสัญญาณข้อมูล เซลล์ค้ำจุน 2 ตัวซึ่งแทรกตัวอยู่ในสมองชั้นนี้จะเข้ามาทำหน้าที่เป็น ‘คนงาน’ดูแลการหุ้มไมอีลินบนใยประสาทให้ เซลล์ตัวแรกรูปร่างเหมือนปลาหมึกชื่อ oligodendrocyte มีหน้าที่หุ้มหรือลอกไมอีลินส่วนเกินออกจากเส้นใยประสาท กับอีกตัวคือ astrocyte คอยดูแลปริมาณไมอีลินที่ถูกหุ้มให้พอเหมาะพอดี

เครดิตภาพจาก 2005 Pearson Education, Inc., Publishing as Benjamin Cummings.

เซลล์ค้ำจุนทั้งสองข้างต้นจะทำงานก็ต่อเมื่อเซลล์สมองและชั้นโมเลกุลหลั่งสารสื่อประสาทออกมาบริเวณจุดเชื่อมต่อเซลล์ (synapses) และทั่วทั้งเส้นใยประสาทเพื่อเป็นการบอกว่า ‘จะส่งสัญญาณผ่านใยประสาทเส้นนี้ละนะ’ เมื่อสารสื่อประสาทหลั่งมาถึง เซลล์ oligodendrocyte ก็จะยื่นหนวดปลาหมึกมาเกาะที่เส้นใยประสาทจากนั้นก็จะเริ่มสังเคราะห์ไมอีลินขึ้นหุ้มจุดที่ตัวเองเกาะไว้ 

ไมอิลินจะถูกหุ้มบนใยประสาทมากน้อยขึ้นอยู่กับว่าสัญญาณนั้นจำเป็นต้องเดินทางเร็วแค่ไหน ขณะที่เซลล์ astrocyte เป็นตัวกำหนดว่าต้องหยุดหุ้มเมื่อไหร่จึงจะได้ความหนาพอดี ยิ่งหุ้มหนามาก กว้างมาก ปลอกประสาทอยู่ชิดกัน ข้อมูลก็ยิ่งเดินทางได้เร็วขึ้น แต่เพราะสัญญาณถูกส่งมาจากใยประสาทที่สั้นบ้างยาวบ้าง เซลล์ค้ำจุนสองตัวนี้จึงต้องช่วยกันควบคุมการหุ้มให้เหมาะสมว่าสัญญาณใดต้องเดินทางเร็วขึ้นและสัญญาณใดต้องชะลอความเร็วลง 

สภาวะการปรับตัวของปลอกไมอีลินนี้คือกระบวนการที่สมองใช้จัดสรรสัญญาณที่มาจากส่วนต่างๆให้เดินทางมาบรรจบพร้อมกัน เป็นความยืดหยุ่นอันชาญฉลาดในการปรับตัวของสมองที่เราเรียกว่า Neuroplasticity ซึ่งเป็นการค้นพบครั้งสำคัญที่ไขความลับของกลไกการเรียนรู้ในสมองที่เรากำลังพูดถึง

เครดิตภาพจาก David Cheney; Source: “Treadmilling Model for Plasticity of the Myelin Sheath,” by R. Douglas Fields and Dipankar J. Dutta, in Trends in Neurosciences, Vol. 42; July 2019

นอกจากไมอีลินมีบทบาทต่อการรับส่งสัญญาณผ่านเซลล์สมอง มันยังมีความสำคัญต่อการรับส่งสัญญาณผ่านคลื่นสมองด้วย เนื่องจากสมองไม่ได้ทำงานผ่านการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์เพียงอย่างเดียว คลื่นสมองคืออีกทางที่ช่วยให้เซลล์สมองที่อยู่ไกลกันคนละส่วนสามารถส่งสัญญาณถึงกันได้รวดเร็ว เช่น คลื่นสมองส่งสัญญาณให้สมองส่วนหน้าทำความเข้าใจด้านบริบทประสานกับฮิปโปแคมปัสที่เข้าใจเรื่องสถานที่ ทำให้เราจดจำใบหน้าคนที่ทำงานในตึกเดียวกันได้แม้เคยเห็นผ่านๆ เป็นต้น  

ด้วยการส่งคลื่นนี้ สมองจึงสามารถทำงานด้วยตัวเองทั้งในภาวะจิตรู้สำนึกและจิตใต้สำนึก โดยเฉพาะการนอนหลับซึ่งสำคัญต่อความจำระยะยาว คลื่นสมองจะถูกส่งออกมาสูงต่ำต่างกัน มีการกรอภาพเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเพื่อเลือกว่าจะเก็บเรื่องใดเข้าเป็นความจำ โดยบันทึกแต่ประสบการณ์ที่กระตุ้นอารมณ์บางอย่างรุนแรง ประสบการณ์แปลกใหม่ เรื่องที่สนใจหรือมีแรงจูงใจสูงและเกิดในกาลเทศะประจวบเหมาะ 

ตลอดกระบวนการนี้ เซลล์นับล้านที่อยู่ในสมองแต่ละส่วนต้องเชื่อมถึงกันเพื่อปะติดปะต่อความทรงจำให้เป็นภาพสมบูรณ์ที่มีทั้งอารมณ์ ภาพ เสียง กลิ่นและลำดับเรื่องราวต่างๆได้ และเซลล์สมองที่เกี่ยวข้องจำเป็นต้องพร้อมรับส่งในจังหวะเดียวกัน การปรับตัวหนาบางของเยื่อไมอีลินช่วยให้การส่งสัญญาณอยู่ทำความเร็วเหมาะสม ซึ่งสำคัญต่อการรักษาคลื่นของสมองสองส่วนให้อยู่ในความถี่เดียวกันได้

ทีมวิจัยของ Patrick Steadman จาก the University of Toronto ทดลองในหนูที่ตัดแต่งพันธุกรรมให้ไมอีลินหยุดทำงานชั่วคราวพบว่า เมื่อไมอีลินไม่ก่อตัว การเชื่อมต่อของสมองที่อยู่ไกลกันก็ทำได้น้อยลง ส่งผลให้ความจำบกพร่อง ไมอีลินสามารถสร้างขึ้นได้ใหม่จากการเรียนรู้ซึ่งเกิดขึ้นขณะประมวลความจำตอนหลับ กรณีนี้ สมองของหนูทดลองก่อตัวไมอีลินขึ้นมาใหม่เมื่อถูกฝึกให้รู้ว่าสถานที่ใดปลอดภัยและอันตราย

โรคทางจิตประสาทบางอย่างเช่น อัลไซเมอร์ ไมอีลินจะถดถอยน้อยลงไปตามวัย ด้วยเหตุนี้คนสูงวัยจึงคิดอะไรได้ช้าและเรียนรู้สิ่งใหม่ยากกว่าหนุ่มสาว แต่งานวิจัยซึ่งศึกษาคนสูงอายุในเกาหลีใต้ก็ออกมาชี้ว่าการทดลองฝึกความจำเป็นเวลา 10 สัปดาห์ช่วยให้ผู้สูงวัยจำได้ดีขึ้น ภาพถ่ายของสมองแสดงให้เห็นชัดเจนว่า สมองส่วนสีขาวของพวกเขามีขนาดใหญ่ขึ้น

ประเด็นสำคัญหนึ่งที่อาจารย์ฟีลด์สพยายามขับเน้นผ่านกลไกการเรียนรู้ทั้งหมดนี้ คือการทำความเข้าใจตั้งต้นเสียใหม่ว่า สมองทำงานเป็นระบบใหญ่ที่ทุกส่วนล้วนมีความสำคัญและสอดประสานซึ่งกันและกันหมด อย่างข้อค้นพบของไมอีลินที่ก่อนนี้ถูกมองเป็นเยื่อไขมันที่มาหุ้มใยประสาทไว้โดยไม่มีความหมายอะไรนั้น บัดนี้กลายเป็นพระเอกสำคัญที่มีบทบาทอย่างยิ่งต่อการเรียนรู้ แน่นอนที่สุดว่าหากต่อยอดจากความเข้าใจว่าสมองทำงานกันเป็นทีมเวิร์คนี้จะยิ่งช่วยขยายงานศึกษาที่กว้างไกลกว่าขอบเขตเดิมและเอื้อประโยชน์ในแวดวงการแพทย์ตลอดจนการศึกษาได้อีกไม่รู้จบ

Source :

The Potential

https://thepotential.org/knowledge/brain-learns-2/