ส่วนหนึ่งของสมองที่ควบคุมการเคลื่อนไหวยังนำทางความรู้สึกด้วย | นิตยสารควอนต้า

ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา ประสาทวิทยาศาสตร์ได้เห็นความก้าวหน้าอันน่าทึ่ง แต่ส่วนสำคัญของสมองยังคงเป็นปริศนา ฉันหมายถึงซีรีเบลลัม ซึ่งได้รับการตั้งชื่อตามภาษาละตินที่แปลว่า "สมองน้อย" ซึ่งอยู่เหมือนขนมปังที่อยู่ด้านหลังสมอง นี่ไม่ใช่การกำกับดูแลเล็กๆ น้อยๆ: สมองน้อยประกอบด้วยสามในสี่ของเซลล์ประสาทในสมองทั้งหมด ซึ่งจัดเรียงในลักษณะเกือบเป็นผลึก ตรงกันข้ามกับเซลล์ประสาทที่พันกันพันกันซึ่งพบที่อื่น

บทความสารานุกรม และหนังสือเรียนเน้นย้ำถึงความจริงที่ว่าสมองน้อยมีหน้าที่ควบคุมการเคลื่อนไหวของร่างกาย ไม่ต้องสงสัยเลยว่าสมองน้อยมีหน้าที่นี้ แต่ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าทัศนคติที่มีมายาวนานนี้เป็นภาวะสายตาสั้น

หรืออย่างนั้น ฉันได้เรียนรู้ในเดือนพฤศจิกายนที่วอชิงตัน ดี.ซี. ขณะเข้าร่วม การประชุมประจำปีของสมาคมประสาทวิทยาศาสตร์การประชุมของนักประสาทวิทยาที่ใหญ่ที่สุดในโลก ที่นั่น นักประสาทวิทยาคู่หนึ่งได้จัดก การประชุมสัมมนา เกี่ยวกับหน้าที่ที่เพิ่งค้นพบของสมองน้อยซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการควบคุมมอเตอร์ เทคนิคการทดลองใหม่แสดงให้เห็นว่า นอกเหนือจากการควบคุมการเคลื่อนไหวแล้ว สมองน้อยยังควบคุมพฤติกรรมที่ซับซ้อน ปฏิสัมพันธ์ทางสังคม ความก้าวร้าว ความจำในการทำงาน การเรียนรู้ อารมณ์ และอื่นๆ อีกมากมาย

รอยแตกในภูมิปัญญาที่โดดเด่น

ความเชื่อมโยงระหว่างสมองน้อยกับการเคลื่อนไหวเป็นที่รู้จักมาตั้งแต่ศตวรรษที่ 19 ผู้ป่วยที่ได้รับบาดเจ็บบริเวณสมองมีปัญหาอย่างเห็นได้ชัดในการทรงตัวและการเคลื่อนไหว ไม่ต้องสงสัยเลยว่าการเคลื่อนไหวประสานกันมีความสำคัญอย่างยิ่ง ตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักประสาทวิทยาได้พัฒนาความเข้าใจอย่างละเอียดว่าวงจรประสาทอันเป็นเอกลักษณ์ของสมองน้อยควบคุมการทำงานของมอเตอร์อย่างไร คำอธิบายว่าสมองน้อยทำงานอย่างไรนั้นดูแน่นหนา

ต่อมาในปี พ.ศ. 1998 ในวารสาร ของเล่นเพิ่มพัฒนาสมองนักประสาทวิทยารายงานเมื่อ ความบกพร่องทางอารมณ์และความรู้ความเข้าใจที่หลากหลาย ในคนไข้ที่สมองถูกทำลาย ตัวอย่างเช่น ในปี 1991 นักศึกษาหญิงอายุ 22 ปีล้มลงขณะเล่นสเก็ตน้ำแข็ง การสแกน CT เผยให้เห็นเนื้องอกในสมองน้อยของเธอ หลังจากผ่าตัดเอาออก เธอก็แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง นักศึกษาวิทยาลัยผู้สดใสคนนี้สูญเสียความสามารถในการเขียนอย่างเชี่ยวชาญ คำนวณทางจิต ตั้งชื่อวัตถุทั่วไป หรือคัดลอกไดอะแกรมง่ายๆ อารมณ์ของเธอแบน เธอซ่อนตัวอยู่ใต้ผ้าห่มและประพฤติตัวไม่เหมาะสม เปลื้องผ้าตามทางเดิน และพูดจาแบบเด็กน้อย ปฏิสัมพันธ์ทางสังคมของเธอ รวมถึงการจดจำใบหน้าที่คุ้นเคย ก็บกพร่องเช่นกัน

กรณีนี้และกรณีที่คล้ายกันทำให้ผู้เขียนงงงวย เข้าใจว่าการทำงานทางการรับรู้และอารมณ์ระดับสูงเหล่านี้อยู่ในเปลือกสมองและระบบลิมบิก “บทบาทของสมองน้อยนั้นคืออะไร และวิธีที่สมองน้อยทำให้บรรลุผลสำเร็จนั้น ยังไม่มีการกำหนดแน่ชัด” พวกเขาสรุป

แม้จะมีเบาะแสเหล่านี้จากการศึกษาทางคลินิกว่าภูมิปัญญาดั้งเดิมอยู่ในเส้นทางที่ผิด แต่หน่วยงานชั้นนำยังคงยืนยันว่าหน้าที่ของสมองน้อยคือการควบคุมการเคลื่อนไหวและไม่มีอะไรเพิ่มเติม “มันเป็นเรื่องน่าเศร้าเพราะผ่านมา 20 ปีแล้ว (นับตั้งแต่มีการรายงานกรณีเหล่านี้)” กล่าว ดิอาซินู ฟิออราวานเต้นักประสาทสรีรวิทยาจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เดวิส ผู้ร่วมจัดการประชุมสัมมนา

นักประสาทวิทยาคนอื่นๆ สังเกตเห็นความบกพร่องทางระบบประสาทจิตเวชในผู้ป่วยมาโดยตลอด นักประสาทวิทยากล่าว สเตฟานี รูดอล์ฟ ของวิทยาลัยแพทยศาสตร์อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ร่วมจัดสัมมนาร่วมกับฟิออราวานเต อย่างไรก็ตาม ไม่มีหลักฐานทางกายวิภาคที่แน่ชัดว่าวงจรประสาทอันเป็นเอกลักษณ์ของสมองน้อยสามารถควบคุมการทำงานทางจิตใจและอารมณ์ที่รายงานได้อย่างไร ดังนั้นรายงานทางคลินิกจึงถูกมองข้ามไป

ตอนนี้ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวงจรของสมองน้อยกำลังพิสูจน์ว่ากรณีศึกษาเหล่านั้นถูกต้องและภูมิปัญญาที่โดดเด่นนั้นผิด

การเดินสายไฟที่แม่นยำ

พื้นที่ รูปแบบการเดินสายไฟในสมองน้อย ได้รับการจัดระเบียบและบีบอัดอย่างแม่นยำเพื่อรวมเซลล์ประสาทสามในสี่ของสมองไว้ในกลีบขนาด 4 นิ้ว เซลล์ประสาทประเภทหลักในสมองน้อยที่เรียกว่าเซลล์ Purkinje นั้นแตกแขนงออกอย่างกว้างขวางเหมือนปะการังรูปพัด แต่แบนและเกือบเป็นสองมิติ ใบพัดลมคือเดนไดรต์ของเซลล์ประสาท ซึ่งทำหน้าที่รับสัญญาณที่เข้ามา เซลล์ประสาทแบบแบนเหล่านี้จัดเรียงขนานกัน ราวกับว่าปะการังพัดนับล้านเรียงซ้อนกันเป็นมัดแน่น เซลล์ประสาทเล็กๆ หลายพันตัววิ่งผ่านแอกซอน ซึ่งเป็นสายส่งของสมองสำหรับแรงกระตุ้นไฟฟ้า ตั้งฉากผ่านชั้นเดนไดรต์ เช่น เส้นด้ายในเครื่องทอผ้า แอกซอนแต่ละอันเชื่อมต่อกับเดนไดรต์ของเซลล์ Purkinje นับหมื่นเซลล์

การเชื่อมต่อระหว่างกันในระดับนี้ทำให้เซลล์ประสาทจำนวน 50 หมื่นล้านเซลล์ของสมองน้อยมีความสามารถในการบูรณาการอย่างน่าอัศจรรย์ วงจรนี้มีลักษณะเฉพาะสำหรับสมองน้อย สามารถบีบอัดข้อมูลขาเข้าจำนวนมหาศาลจากประสาทสัมผัสเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวของร่างกาย การเคลื่อนไหวที่ลื่นไหลของนักบัลเล่ต์ที่กระโจนข้ามเวทีต้องใช้สมองน้อยในการประมวลผลข้อมูลจากประสาทสัมผัสทั้งหมดอย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็ติดตามตำแหน่งที่เปลี่ยนแปลงของแขนขา รักษาสมดุล และจัดทำแผนที่พื้นที่ที่ร่างกายเคลื่อนไหว สมองน้อยใช้ข้อมูลแบบไดนามิกนั้นเพื่อควบคุมกล้ามเนื้อด้วยจังหวะเวลาที่แม่นยำ และควบคุมในบริบททางสังคมที่ถูกต้อง ซึ่งขับเคลื่อนด้วยอารมณ์และแรงจูงใจ

Fioravante และ Rudolph บอกฉันว่าตอนนี้นักประสาทวิทยากำลังตระหนักว่าวงจรประสาทอันทรงพลังในสมองน้อยที่รวมข้อมูลสำหรับการเคลื่อนไหวของร่างกายยังช่วยให้สามารถจัดการกับกระบวนการทางจิตและพฤติกรรมที่ซับซ้อนได้อีกด้วย

“ตัวอย่างเช่น ตอนนี้” รูดอล์ฟอธิบายในขณะที่เราคุยกันก่อนการประชุมสัมมนาจะเริ่ม “คุณถามคำถามและเราให้คำตอบ นั่นเป็นพฤติกรรมที่ซับซ้อน” เธอจำเป็นต้องเข้าใจคำพูดของฉัน กำหนดคำตอบ และจากนั้นใช้กล้ามเนื้อในการแต่งคำ เธอยังต้องเข้าใจภาษากายของฉันและสัญญาณที่ละเอียดอ่อนอื่นๆ ด้วย “ตอนนี้คุณกำลังพยักหน้า ดังนั้นจากนี้ฉันสามารถสรุปได้ว่าคุณกำลังรับฟังและสนใจ” เธอกล่าว

ฉันไม่เคยชื่นชมความซับซ้อนของการควบคุมมอเตอร์ที่จำเป็นสำหรับการพูดมาก่อน ลักษณะทางกายภาพไม่เพียงแต่รวมถึงยิมนาสติกที่ซับซ้อนของลิ้นและริมฝีปากเท่านั้น — เพื่อสร้างเสียงตลอดจนปรับระดับเสียงและระดับเสียง — แต่ยังรวมถึงท่าทางด้วย คำพูดของเราถูกกำหนดเวลาเพื่อที่เราจะไม่พูดถึงบุคคลอื่น และคำพูดของเราถูกควบคุมตามบริบททางสังคม: อบอวลด้วยอารมณ์ที่เหมาะสมและขับเคลื่อนด้วยแรงจูงใจ ความคิด ความคาดหวัง และอารมณ์

การประสานการทำงานที่หลากหลายเหล่านี้จำเป็นต้องอาศัยการทำงานเกือบทุกอย่างที่สมองทำ ตั้งแต่การควบคุมอัตราการเต้นของหัวใจและความดันโลหิตที่ดำเนินการในบริเวณสมองส่วนลึก ไปจนถึงการประมวลผลข้อมูลทางประสาทสัมผัสและอารมณ์ที่ดำเนินการโดยระบบลิมบิก นอกจากนี้ยังต้องมีส่วนร่วมกับฟังก์ชันการรับรู้ระดับสูงสุดในด้านความเข้าใจ การยับยั้ง และการตัดสินใจในเปลือกสมองส่วนหน้า

เพื่อให้สมองน้อยสามารถทำเช่นนั้นได้ จะต้องมีการเชื่อมต่อที่ครอบคลุมทั่วทั้งสมอง จนถึงขณะนี้ยังขาดหลักฐาน แต่เทคนิคใหม่ๆ กำลังเปิดเผยเส้นทางเหล่านี้

ศูนย์กลางการป้อนข้อมูลทางประสาทสัมผัส

เมื่อหลายสิบปีที่แล้ว เมื่อนักประสาทกายวิภาคศาสตร์สร้างแผนที่สมอง พวกเขาไม่พบการเชื่อมโยงโดยตรงจากสมองน้อยไปยังบริเวณสมองที่ควบคุมอารมณ์และการรับรู้ เช่น ระบบลิมบิก และเยื่อหุ้มสมองส่วนหน้า นั่นทำให้พวกเขาเชื่อว่าสมองน้อยค่อนข้างโดดเดี่ยวและไม่เกี่ยวข้องกับการทำงานของการรับรู้ขั้นสูงเหล่านี้ แต่เช่นเดียวกับที่โจรอาจหลบเลี่ยงตัวติดตามด้วยการเปลี่ยนยานพาหนะ สัญญาณประสาทก็สามารถกระโดดจากเซลล์ประสาทหนึ่งไปยังอีกเซลล์หนึ่งได้ ปฏิบัติการลับนี้ทำให้นักประสาทกายวิภาคศาสตร์หลุดออกจากสมองน้อย

วิธีการใหม่ช่วยให้นักกายวิภาคศาสตร์สามารถติดตามเส้นทางเหล่านั้นจากซีรีเบลลัมผ่านจุดถ่ายทอด และติดตามเส้นทางเหล่านั้นไปทั่วทั้งสมอง ตัวอย่างเช่น นักวิจัยสามารถปลูกไวรัสโรคพิษสุนัขบ้าในเซลล์ประสาทเพื่อดูว่าเซลล์ประสาทอื่นๆ ที่พวกเขาสัมผัสอยู่นั้นเป็นอย่างไร พวกเขาได้ดัดแปลงพันธุกรรมโปรตีนเรืองแสงให้กะพริบเมื่อมีแรงกระตุ้นประสาทเกิดขึ้น เพื่อให้สามารถมองเห็นการไหลของการจราจรในวงจรประสาทได้ พวกเขายังสามารถติดตามรอยเท้าที่ทิ้งไว้โดยการจราจรของเส้นประสาท: การปรากฏตัวของโปรตีนที่สร้างขึ้นเมื่อไฟของเซลล์ประสาทสามารถช่วยระบุเซลล์ทั้งหมดที่สื่อสารในโครงข่ายประสาทเทียมเมื่อมีการแสดงพฤติกรรมเฉพาะ

ในการประชุมสัมมนา นักวิจัยได้แบ่งปันการค้นพบใหม่ที่น่าสนใจมากมายซึ่งเปิดเผยโดยวิธีการใหม่เหล่านี้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเข้าใจที่พัฒนาไปของพวกเขาเกี่ยวกับสมองน้อย

เจสสิก้า เวอร์เปต ของมหาวิทยาลัยรัฐแอริโซนารายงานข้อมูลที่อธิบายเครือข่ายที่ซับซ้อนและกว้างขวางของการเชื่อมต่อสมองน้อยที่ถูกกระตุ้นทั่วทั้งสมองในหนูเมื่อพวกมันเข้าสังคมหรือเรียนรู้ที่จะเจรจาต่อรองในเขาวงกต

รูดอล์ฟแบ่งปันการทดลองแสดงให้เห็นว่าพฤติกรรมของมารดา ซึ่งศึกษาในหนูตัวเมียที่ดูแลลูกๆ ของพวกมัน ได้รับผลกระทบจากฮอร์โมนที่ออกฤทธิ์ต่อสมองน้อย โดยเฉพาะฮอร์โมนออกซิโตซิน ซึ่งส่งเสริมความผูกพันระหว่างแม่ เมื่อกลไกนี้ถูกรบกวนจากการทดลอง แม่จะไม่ดูแลลูกๆ ของเธออีกต่อไป

ยี่-เหม่ยหยาง แห่งมหาวิทยาลัยมินนิโซตาแสดงให้เห็นว่าเมื่อเธอรบกวนเซลล์ประสาทในสมองน้อย หนูก็หมดความสนใจที่จะเล่นกับหนูที่ไม่คุ้นเคยที่ถูกนำเข้ามาในกรงของพวกมัน อย่างไรก็ตาม พวกเขาไม่มีปัญหาในการโต้ตอบและจดจำวัตถุที่ไม่มีชีวิต สิ่งนี้บ่งชี้ถึงการขาดความทรงจำในการรับรู้ทางสังคมที่ซับซ้อน คล้ายกับสิ่งที่คนออทิสติกประสบ

ที่จริงแล้ว สมองน้อยมักจะมีขนาดเล็กกว่าในคนออทิสติก และ อเล็กซานดรา บาดูรา จากศูนย์การแพทย์มหาวิทยาลัย Erasmus ในเมืองรอตเตอร์ดัม นำเสนอข้อมูลใหม่ที่ชี้ให้เห็นว่าสมองน้อยมีส่วนเกี่ยวข้องกับออทิซึม เนื่องจากสมองเป็นศูนย์กลางของการรับรู้ทางประสาทสัมผัส โดยเฉพาะสัญญาณที่เกี่ยวข้องกับบริบททางสังคม

งานวิจัยใหม่นี้นอกเหนือไปจากการศึกษาเรื่องเมาส์ แอนเดรียส ธีม จากโรงพยาบาลมหาวิทยาลัยเอสเซินในประเทศเยอรมนี นำเสนอการทดสอบทางคลินิกแบบใหม่ที่ใช้ในการวินิจฉัยความบกพร่องทางอารมณ์และการรับรู้ที่เกิดจากความเสียหายของสมองน้อยได้อย่างแม่นยำ

การศึกษาใหม่ๆ ที่ก้าวล้ำเหล่านี้แสดงให้เห็นว่า นอกเหนือจากการควบคุมการเคลื่อนไหวแล้ว สมองน้อยยังควบคุมพฤติกรรมทางสังคมและอารมณ์ที่ซับซ้อนอีกด้วย เพื่อให้บรรลุถึงอิทธิพลระดับโลกนี้ สมองน้อยจะต้องเป็นศูนย์กลางการประมวลผลข้อมูลที่มีการเชื่อมต่อทั่วทั้งสมอง ไม่น่าแปลกใจเลยที่มันมีเซลล์ประสาทมากมาย เพื่อบรรลุคำสั่งและการควบคุมขั้นสูงนี้ จริงๆ แล้ว จะต้องเป็นเพียงสมองเล็กๆ น้อยๆ เท่านั้น