ออปโตเจเนติกส์ : เทคนิคการคุมสมองด้วยแสง – – (ฉบับประจำวันที่ 16-22 ตุลาคม 2569 ฉบับที่ 2409) – –

ทะลุกรอบ | ป๋วย อุ่นใจ

กรี๊ดดดดดดดดด %#@*#!!!

คนไข้ชายคนหนึ่งอาละวาดอย่างน่ากลัวในวอร์ดจิตเวชของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ในขณะที่คาร์ล ดิสเซอรอธ (Karl Deisseroth) แพทย์ประจำบ้านหนุ่มวัย 27 ปี ซึ่งมุ่งมั่นจะเรียนต่อเพื่อเป็นศัลยแพทย์ประสาท กำลังนั่งจดโน้ตอยู่ในเคาน์เตอร์พยาบาล

“ในตอนนั้น เขาถูกส่งมา rotate อยู่ในวอร์ดจิตเวช” คาร์ลเล่า “และนี่เป็นประสบการณ์ชีวิตที่ทำให้เขาช็อก”

ก็ไม่แปลก เจอแบบนี้เข้าไปเต็มๆ อยู่ตรงหน้า ห่างไปแค่ไม่กี่นิ้ว เป็นใครก็คงช็อก

“ตอนนั้น จำได้ว่า ผมแค่นั่งอยู่ตรงนั้น แล้วก็มองไปที่เขา อารมณ์ของเขาดูซับซ้อน สีหน้าของเขาเห็นได้ชัดว่าทั้งเกรี้ยวโกรธและหวาดกลัว” คาร์ลเล่า “เขายังตะโกนด่าไม่หยุด และยังคงกรีดร้องเป็นระยะๆ เพราะว่าประสาทหลอน คนไข้คิดไปเองว่าผมกำลังวางแผนหลอกเขาอยู่”

ถ้าเป็นหมอคนอื่น เจอแบบนี้เข้าไปก็อาจจะสยอง และรีบพยายามหาทางจรลี หลบลี้จากไปจากวอร์ดนี้ และอาจจะไม่กลับมาอีก

แต่สำหรับคาร์ล เขาค้นพบสิ่งที่เขาสนใจจริงๆ … “นี่ทำให้ผมต้องกำหนดแผนอาชีพของผมใหม่ทั้งหมด” คาร์ลกล่าว เขาเปลี่ยนใจ ไม่เป็นแล้ว ศัลยแพทย์ประสาท

เขาตั้งใจที่จะทุ่มเทชีวิตของเขาเพื่อศึกษาสมองและโรคจิตเภท

สําหรับคาร์ล อาการป่วยทางจิตนั้นทรมานมากกว่าอาการป่วยทางกาย และตัวเขาเองก็อยากจะเป็นคนที่บุกเบิกงานวิจัยเพื่อให้เราสามารถเข้าใจการทำงานของสมอง กลไกของอารมณ์ ที่อาจจะนำไปสู่การบำบัดรักษาโรคจิตเภท และอาการป่วยทางจิตอื่นๆ คาร์ลเปลี่ยนไปต่อทางด้านจิตเวช และกลายเป็นจิตแพทย์เต็มตัว

“แต่ในใจลึกๆ แล้ว ผมเป็นนักวิทยาศาสตร์” คาร์ลกล่าว แม้จะทำงานในสายคลินิกและยังออกตรวจคนไข้ด้วย แต่ห้องแล็บของคาร์ลก็ยังโฟกัสกับงานวิจัยพื้นฐาน

ที่จริง ตอนที่เรียนแพทย์อยู่ คาร์ลก็เรียนปริญญาเอกไปด้วย โดยทำวิจัยกับริชาร์ด เซียน (Richard W. Tsien) เจ้าพ่อวงการประสาทวิทยาของสแตนฟอร์ด งานวิจัยของคาร์ลเน้นศึกษากลไกการควบคุมการขนส่งแคลเซียมในเซลล์และการสื่อและการถ่ายทอดกระแสประสาท (synapse)

และนั่นทำให้คาร์ลมีพื้นฐานด้านงานวิจัยทางประสาทวิทยาที่เข้มแข็งมาก

และนั่นอาจจะเป็นสาเหตุให้คาร์ลย้อนกลับมาสนใจการควบคุมการสื่อและการถ่ายทอดกระแสประสาท เพราะถ้าอยากเข้าใจว่าสมองทำงานยังไงก็ต้องรู้ก่อนว่ากระแสประสาทนั้นเริ่มที่ตรงไหน

หลังจากการตั้งแล็บ แม้จะอยู่ที่ภาควิชาจิตเวช งานวิจัยส่วนใหญ่ในช่วงแรกของห้องแล็บของคาร์ลนั้นจึงไม่ได้โฟกัสอะไรกับโรคทางจิตเวช แต่กลับทุ่มแทบทุกสิ่งทุกอย่างในแล็บไปกับการพัฒนาวิธีการควบคุมการส่งกระแสประสาทในสมอง

และที่คาร์ลสนใจคือโปรตีนท่อส่งแคลเซียม (Ca2+ channel)

เคยทำงานกับริชาร์ด คาร์ลรู้ดีว่าท่อแคลเซียมมีบทบาทสำคัญมากในการสื่อประสาท เพียงท่อแคลเซียมเปิดแค่ท่อเดียว แคลเซียมไอออนนับพันนับหมื่นก็จะไหลทะลักเข้าไปในเซลล์ เกิดเป็นสัญญาณที่กระตุ้นกระบวนการต่างๆ ภายในเซลล์ตั้งแต่เมตาโบลิซึม การแสดงออกของยีน ไปจนถึงการสื่อประสาท การถ่ายทอดกระแสประสาท

คำถามคือแล้วจะใช้วิธีไหนล่ะที่จะควบคุมท่อส่งแคลเซียมได้?

คำตอบคือใช้ “แสง”

เรื่องนี้น่าสนใจ เพราะกลไกการควบคุมแคลเซียมด้วยแสงนี้ถูกค้นพบในสาหร่ายเซลล์เดียวที่มีสองหาง “คลาไมโดโมแนส (Chlamydomonas reinhardtii)” หรือที่พวกนักวิจัยชอบเรียกกันสั้นๆ ว่า คลามี่ (Chlamy)

คลามี่ใช้หางทั้งสองของมันว่ายน้ำเพื่อการเคลื่อนที่

ผมยังจำได้ว่าตอนที่ผมเริ่มทำงานกับคลามี่ใหม่ๆ เคนเนธ ดาวนิง (Kenneth Downing) บอสของผมที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์เบิร์กลีย์ (Lawrence Berkeley National Laboratory) เคยถามผมตอนนั่งจิบกาแฟยามสายอยู่ด้วยกันว่า “ป๋วย ยูรู้มั้ยว่าถ้าเราเอาแสงแรงๆ ส่องลงไปที่เซลล์ของคลามี่ พวกมันจะตกใจและเริ่มว่ายน้ำกลับหลัง?”

“จริงเหรอ ทำไมล่ะ? แสงไปเกี่ยวอะไรกับการว่ายน้ำของคลามี่?” ผมถามเคนกลับ เคนยิ้มแต่ไม่ตอบอะไร

ด้วยความสงสัย พอกลับไปที่โต๊ะทำงาน ผมเริ่มเสิร์ชหาเรื่องนี้และก็ไปเจอเปเปอร์ที่เขียนโดยฮาร์ทมันน์ ฮาร์ซ (Hartmann Harz) และปีเตอร์ เฮเกมันน์ (Peter Hegemann) จากสถาบันวิจัยชีวเคมีมักซ์พลัก (Max-Planck-lnstitut f?r Biochemie) ในปี 1991 อธิบายเรื่องนี้เอาไว้อย่างละเอียด

การเคลื่อนที่หนีแสงของสาหร่ายจริงๆ แล้วเกิดจากโปรตีนท่อแคลเซียมที่เรียกว่า แชนแนลโรดอปซิน ซึ่งการเปิดปิดของมันถูกควบคุมด้วยแสง

และการไหลเข้าไหลออกของแคลเซียมในเซลล์จากการกระตุ้นด้วยแสงนี้เองจะทำให้หางของคลามี่สะบัดย้อนทิศ ซึ่งทำให้แบบแผนของการว่ายน้ำนั้นผิดเพี้ยนไป ตามแต่แสงที่กระตุ้น

เรื่องนี้เข้าตา เอ็ด บอยเดน (Ed Boyden) รุ่นน้องของคาร์ลซึ่งในตอนนั้นเป็นนักศึกษาปริญญาเอกอยู่ที่ห้องแล็บของริชาร์ด เอ็ดเล่าว่า เขาและคาร์ลคุยกันบ่อยมาก เรื่องการหาวิธีเปิดปิดการส่งกระแสประสาทในเซลล์ประสาทที่จำเพาะ ในตอนนั้นพวกเขาจินตนาการไปสารพัดวิธี ถึงขนาดที่คิดว่าจะเอาลูกปัดแม่เหล็กไปติดกับท่อส่งไอออนที่โดนดึงให้เปิดเปิดได้ด้วยแรง เพื่อว่าถ้าทำสำเร็จ ก็จะได้ควบคุมเซลล์ประสาทได้ด้วยแม่เหล็ก

แต่เทคนิคนี้น่าจะยากเพราะต้องใช้ทั้งลูกปัดแม่เหล็กส่งเข้าไปในสมอง แถมยังต้องหายีนของไอออนแชนแนลที่เปิดปิดตามการดึงอีก

แต่แล้วในปี 2002 ห้องแล็บของเกโร มีเซนเบิก (Gero Miesenb?ck) ก็เผยแพร่งานวิจัยของพวกเขาออกมา …พวกเขาโคลนชุดยีนที่ตอบสนองต่อแสงสามยีนจากแมลงหวี่เข้าไปในเซลล์ประสาท และผลที่ได้ก็คือเซลล์ประสาทที่มีชุดยีนพวกนี้อยู่นั้นตอบสนองต่อแสง

และนี่คือการพิสูจน์ชัดเจนว่าการควบคุมเซลล์ประสาทด้วยแสงนั้นเป็นไปได้

เอ็ดตื่นเต้นมาก แต่ตอนนั้นเขายังเรียนอยู่ ก็เลยต้องปลีกตัวไปทำงานตัวเองก่อน …เพราะเดี๋ยวจะไม่จบ

แต่แล้วในปี 2003 คาร์ลก็อีเมลหาเอ็ดอีกรอบและบอกว่าอยากคุยต่อเรื่องลูกปัดแม่เหล็ก แต่หลังจากที่คุยไอเดียก็ยังไม่ตกผลึก ในตอนนั้นพวกเขาเริ่มตะลุยอ่านเปเปอร์อย่างบ้าคลั่งกันอีกครั้ง

ไม่รู้ว่าเป็นโชคหรือพรหมลิขิต แต่ตอนนั้นพอดีเป๊ะเลยกับที่ปีเตอร์ และเกออร์ก นาเกิล (Georg Nagel) ได้ค้นพบยีนของแชนแนลโรดอปซินในคลามี่ ซึ่งก็มีทั้งแชนแนลโรดอปซิน-1 และแชนแนลโรดอปซิน-2 และได้ทำการพิสูจน์ชัดแล้วว่าโปรตีนแชนแนลโรดอปซินพวกนี้แหละที่ควบคุมการเปิดปิดด้วยแสงของสาหร่าย หรือก็คือตัวการที่ทำให้คลามี่ว่ายกลับหลังนั่นแหละ

ในช่วงกุมภาพันธ์ ปี 2004 เขาอีเมลหาคาร์ลแล้วเสนอให้คาร์ลติดต่อเกออร์กเพื่อขอยีนของแชนแนลโรดอปซิน ซึ่งเกออร์กในตอนนั้นก็ยินดีส่งกลับมาให้ เป็นเวอร์ชั่นของแชนแนลโรดอปซิน-2 ที่ปรับแต่งให้มีสีฟลูออเรสเซนต์ติดอยู่ เวลาที่เอาไปใส่ในเซลล์ประสาทจะได้ดูจากสัญญาณฟลูออเรสเซนต์ได้ว่ามีโปรตีนเยอะแค่ไหน และผลิตออกมาเสียไปบ้างหรือเปล่า

และเพื่อเริ่มการทดลอง คาร์ลทำการใส่ยีนแชนแนลโรดอปซิน-2 เข้าไปในเซลล์ประสาทฮิปโปแคมปัส ผลปรากฏว่าเซลล์ประสาทนั้นสามารถผลิตโปรตีนแชนแนลโรดอปซิน-2 ได้ดีมาก

และเพื่อพิสูจน์ว่างานนี้เวิร์กจริง เอ็ดได้สร้างเครื่องฉายแสงสีน้ำเงิน เพื่อกระตุ้นให้แชนแนลทำงาน ด้วยความตื่นเต้น อยากรู้ผล หลังจากที่ได้เซลล์มาจากคาร์ล เอ็ดรุดเข้าไปในห้องแล็บของริชาร์ด และเริ่มส่องดูเซลล์พร้อมกับเชื่อมต่อเซลล์กับวงจรไฟฟ้าเพื่อติดตามการเกิดสัญญาณประสาท เวลานั้นเป็นเวลาตีหนึ่ง

และพอเอ็ดฉายแสงสีน้ำเงินลงไป สัญญาณกระแสประสาทก็พุ่งขึ้นมาทันที เห็นได้ชัดเจน เซลล์ประสาทเวอร์ชั่นปรับแต่งของพวกเขาส่งกระแสประสาทเพื่อตอบสนองต่อแสงสีน้ำเงินที่เขาส่องลงไปจริงๆ เอ็ดลองเปิดปิดสวิตช์แสงไฟหลายที ผลที่ได้ก็น่าประทับใจตลอด ไม่ว่าจะยิงกี่รอบ เซลล์ก็ยังตอบสนองเป็นอย่างดี เอ็ดตะลุยเก็บผลต่ออย่างตื่นเต้น และในตอนเช้า เขาอีเมลหาคาร์ลว่า “เหนื่อยนะแต่ตื่นเต้น” และคาร์ลก็ตอบสั้นๆ ว่า “ดีมาก”

และนี่คือจุดเริ่มต้นของการควบคุมเซลล์ประสาทด้วยแสงที่เรียกว่า ออปโตเจเนติกส์ (Optogenetics)

ในช่วงนั้นเอง ห้องพักของคาร์ลก็มีแขกมาเยือน เป็นหนุ่มน้อยหน้าใสชาวจีนที่เพิ่งจะเข้ามาเป็นนักเรียนปริญญาเอกใหม่ๆ สดๆ ร้อนๆ ที่สแตนฟอร์ด ชื่อ เฟิง จาง (Feng Zhang) ในตอนนั้นเฟิงเพิ่งจบปริญญาตรีมาหมาดๆ จากห้องแล็บของเซียวเหว่ย ซวง (Xiaowei Zhuang) ที่มหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด (Harvard University)

พูดถึงเซียวเหว่ย ผมเจอเซียวเหว่ยเป็นครั้งแรกในปี 2002 ในงานประชุมประจำปีของสมาคมชีวฟิสิกส์ในซานฟรานซิสโก ในตอนนั้นเธอมาบรรยายวิธีการใช้เทคนิคฟลูออเรสเซนต์เพื่อศึกษากลไกของการพับตัวของไรโบไซม์ ส่วนผมยังเป็นนักเรียนปริญญาเอกที่เพิ่งเริ่มเข้าวงการเลยไม่ค่อยรู้เรื่องอะไรเท่าไร

แต่ตอนนั้น ราหูล เพื่อนชาวอเมริกัน-อินเดียของผมบอกผมว่า เซียวเหว่ยคือหนึ่งในนักวิจัยดาวรุ่งพุ่งแรงของวงการ เป็นลูกศิษย์ของสตีฟ ชู (Steve Chu) ที่สแตนฟอร์ดที่เคยได้โนเบลไปแล้วจากเทคนิคการแช่แข็งอะตอมด้วยเลเซอร์ ถ้าพลาดไปแล้วจะเสียใจ ก็เลยตัดสินใจไป

ซึ่งต้องบอกเลยว่าประทับใจมาก เซียวเหว่ยมาด้วยลุคที่ดูเนี้ยบกริบทุกกระเบียด ผมสั้น เสื้อคลุมยาว และเวลาที่เธอนำเสนองานวิจัย เธอตั้งคำถามและไล่ตอบด้วยผลการทดลองที่ถูกวางแผนเอาไว้อย่างรัดกุม

ผมชอบวิธีวางแผนการทดลองของเธอมากจนถึงขนาดกลับมาเสิร์ชหาโปรไฟล์ของเธอดู เพื่อจะได้ไปตามอ่านงานวิจัยของเธอได้ และเมื่อได้เห็นคำบรรยายของเธอในเว็บของฮาร์วาร์ดก็ยิ่งประทับใจเข้าไปอีก

เพราะที่ฮาร์วาร์ด นอกจากเธอเป็นศาสตราจารย์ทางด้านเคมีแล้ว ยังเป็นศาสตราจารย์ทางด้านเคมีชีวภาพ และฟิสิกส์ด้วย … กวาดหมด

คนอะไรจะเทพซะทุกด้านขนาดนั้น

ที่ตลกก็คือ เฟิงเคาะห้องของคาร์ล แต่เขาไม่ได้รู้จักคาร์ล และไม่ได้สนใจจะมาหาคาร์ล คนที่เฟิงอยากตามหาจริงๆ ก็คืออาจารย์ของเซียวเหว่ย ซึ่งก็คือนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล สตีฟ ชู

เฟิงอยากมาฝากตัวเป็นศิษย์ของสตีฟ

ซึ่งที่จริง เฟิงก็ไม่ได้เอ๋อจนมาผิดห้อง เพราะห้องที่เฟิงเคาะจริงๆ ป้ายชื่อหน้าห้องก็ยังเขียนว่า “สตีฟ ชู” แต่ในตอนนั้นสตีฟได้ย้ายไปอยู่ที่เบิร์กลีย์แล้ว และคาร์ลก็มายึดออฟฟิศและแล็บของชู …ทั้งคู่ก็เลยได้เจอกัน

ราวกับบุพเพสันนิวาส เพราะที่จริงสิ่งที่เฟิงอยากทำไม่ใช่ชีวฟิสิกส์เชิงแสง แต่เป็นประสาทวิทยา แต่ด้วยพื้นฐานที่ค่อนข้างจำกัดทางด้านชีววิทยา ก็เลยไม่มีใครสนใจจะรับเขาเข้าไปในแล็บ พอได้เจอคาร์ลซึ่งเป็นอาจารย์ใหม่กำลังหาคนเข้าแล็บพอดี พอมีคนมาเคาะ ก็เลยรับเลย เฟิงก็เลยแจ๊กพ็อตได้เข้ามาทำงานทางด้านประสาทวิทยาที่อยากทำพอดี

และเฟิงก็คือคนที่โคลนแชนแนลโรดอปซิน-2 เข้าไปในระบบเลนติไวรัส ซึ่งทำให้เซลล์ผลิตโปรตีนแชนแนลโรดอปซินได้อย่างคงที่

ซึ่งทำให้งานวิจัยเพื่อพิสูจน์ไอเดียเดินไปได้อย่างรวดเร็ว

เอ็ดเล่าว่า ทีมวิจัยของพวกเขาแฮปปี้สุดสุดกับผลที่มี และรีบเขียนเปเปอร์เพื่อส่งไปตีพิมพ์ในวารสารที่ขึ้นชื่อลือชาว่าโหดที่สุดในทางวิทยาศาสตร์ นั่นก็คือ Science ในวันที่ 19 เมษายน 2005

เปเปอร์นี้คือเปเปอร์หลักที่เป็นต้นกำเนิดจริงๆ ของงานออปโตเจเนติกส์ ซึ่งพวกเขาเชื่อว่าจะส่งแรงกระเพื่อมอย่างมหาศาลต่อวงการประสาทวิทยา เพราะฉะนั้น Science น่าจะรับ แต่พวกเขากลับคิดผิดถนัด เพราะ Science ปฏิเสธเปเปอร์ของพวกเขาอย่างรวดเร็วแบบไม่เหลือเยื่อใย

คาร์ลตัดสินใจส่งไปลองอีกวารสารหนึ่งซึ่งก็แรงปรี๊ดไม่แพ้กันซึ่งก็คือ Nature แต่ผลตอบกลับมาก็คือเด้งไม่ต่างจาก Science แต่ทีม Nature ยังแอบน่ารักกว่าหน่อยคือยังยินดีช่วยส่งต่อไปให้อีกวารสารหนึ่งให้ ซึ่งก็คือ Nature Neuroscience

และในท้ายที่สุด งานที่เป็นหลักไมล์สำคัญของเทคนิคที่เปลี่ยนการศึกษาประสาทวิทยาไปเลย อย่างออปโตเจเนติกส์นี้ ก็ไปตีพิมพ์อยู่ใน Nature Neuroscience

ในเวลาต่อมา ออปโตเจเนติกส์ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายมาก มีการประยุกต์ใช้สารพัดตั้งแต่เพื่อหาบทบาทหน้าที่ของบริเวณต่างๆ ในสมอง การบำบัดรักษาผู้ป่วยจอประสาทตาเสื่อม การควบคุมน้ำตาลในเลือดด้วยแสง การฟังเสียงไปจนถึงการควบคุมการหมักไวน์ด้วยแสง การส่งข้อมูลเข้าสมองโดยตรง ไปจนถึงการคุมหุ่นยนต์ไฮบริดชีวภาพ

และนั่นทำให้เทคโนโลยีนี้ได้รับการพิจารณาให้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาการแพทย์ประจำปี 2026 ไปครอง

โดยคนที่ได้รางวัลก็คือ คาร์ล เกออร์ก และปีเตอร์

แต่ใครจะรู้ งานวิจัยระดับโนเบลโดนเด้งสองรอบ จากสองวารสาร!!!!

โลกนี้ไม่มีอะไรคาดเดาได้จริงๆ

เรื่องราวยังไม่จบ เพราะจริงๆ แล้วเรื่องนี้ยังมีประเด็นเบื้องลึกเบื้องหลังอีกเยอะ ที่ก่อให้เกิดดราม่าที่เป็นระดับตำนานของวงการวิทยาศาสตร์

เพราะเฟิงนี่แหละคือคู่กรณีเบอร์หนึ่งของสองนักวิทยาศาสตร์รางวัลโนเบล เจนนิเฟอร์ ดอดนา (Jennifer Doudna) และเอ็มมานูเอล ชาเพนทิเย่ (Emmanuelle Charpentier) ในสมรภูมิแย่งสิทธิคริสเพอร์

คราวหน้าเรามาต่อกัน