คำถาม & คำตอบ: วิวัฒนาการของปลาหมึกและสมองปลาหมึกสามารถให้ความกระจ่างเกี่ยวกับต้นกำเนิดของความฉลาด

ปลาหมึกหางยาวที่อาศัยอยู่ในมหาสมุทร อยู่นอกโลก และฉลาด มีสมองที่ซับซ้อนแต่แตกต่างอย่างมากจากสมองของเรา

สิ่งมีชีวิตขนาดเท่าวอลนัทที่นิ่มนวลนี้คือเซฟาโลพอด (กลุ่มที่ประกอบด้วยหมึก ปลาหมึก และปลาหมึก) ซึ่งเป็นกลุ่มสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังเพียงกลุ่มเดียวที่พัฒนาระบบประสาทและพฤติกรรมที่ซับซ้อนเหมือนกับที่เราเห็นในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและนก

จากการศึกษาวิวัฒนาการอิสระของระบบประสาทเซฟาโลพอด นักวิจัยอย่าง Matt McCoy พยายามมองข้ามความแตกต่างเพื่อดูลักษณะทั่วไปที่สามารถสอนความจริงพื้นฐานเกี่ยวกับวิวัฒนาการของสติปัญญาให้กับเรา

McCoy เป็น นักวิชาการหลังปริญญาเอกสหวิทยาการ ที่สถาบัน Wu Tsai Neurosciences Institute ที่ Stanford ซึ่งเขาศึกษายีนที่สำคัญสำหรับวิวัฒนาการของระบบประสาท

ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของงานปริญญาเอกของเขาในด้านอณูพันธุศาสตร์และจีโนม McCoy ใช้เวลาในการตั้งโปรแกรมเซลล์ผิวหนังของมนุษย์ใหม่ให้เป็นเซลล์ประสาท เขาสังเกตเห็นว่าการที่จะกลายเป็นเซลล์ประสาท เซลล์เหล่านี้ทั้งหมดได้เปิดกลุ่มยีนขนาดใหญ่มหาศาลที่แตกต่างกันออกไป ซึ่งเป็นลำดับของคู่เบสของ DNA ที่ยาวกว่ายีนทั่วไปถึง 10 หรือ 100 เท่า ในตอนแรก เขาใช้คุณลักษณะนี้เพื่อเลือกว่าเซลล์ใดที่กลายเป็นเซลล์ประสาทได้สำเร็จ แต่ในที่สุดก็รู้ว่าเขาอาจมีบางอย่างที่เป็นพื้นฐานเกี่ยวกับชีววิทยาของระบบประสาท ตั้งแต่นั้นมา McCoy พบว่ายีนขนาดใหญ่เหล่านี้ปรากฏบนต้นไม้แห่งชีวิต ย้อนกลับไปจนถึงวิวัฒนาการที่เก่าแก่ที่สุดของระบบประสาท

ปัจจุบัน McCoy เป็นนักวิจัยดุษฎีบัณฑิตในห้องปฏิบัติการสแตนฟอร์ดของรางวัลโนเบล รางวัลโนเบล แอนดรูว์ ไฟร์ McCoy ใช้เทคนิคการคำนวณขนาดใหญ่และอณูพันธุศาสตร์เพื่อศึกษาผลกระทบของยีนขนาดใหญ่เหล่านี้ต่อวิวัฒนาการของระบบประสาทในสิ่งมีชีวิตที่หลากหลาย เขาใช้ประโยชน์จากแนวทางสหวิทยาการนี้เพื่อสร้างสมมติฐานว่าเขาสามารถนำไปศึกษาพันธุศาสตร์ปลาหมึกหางยาวในช่วงฤดูร้อนที่ Marine Biological Laboratory (MBL) ในเมืองวูดส์โฮล รัฐแมสซาชูเซตส์ ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยและการศึกษาทางทะเลระดับนานาชาติที่ซึ่งเขาเคยเป็นหญ้ามาก่อน เพื่อนและเพื่อนวิทแมน

เราได้พูดคุยกับ McCoy เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับสิ่งที่เขาเรียนรู้เกี่ยวกับวิวัฒนาการและการทำงานของระบบประสาท และวิธีที่การค้นพบนี้อาจแปลเป็นความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับโรคในมนุษย์

คุณศึกษาเซฟาโลพอดที่เรียกว่าปลาหมึกหางยาว ทำไมต้องเรียนปลาหมึก?

ผู้คนเรียกเซฟาโลพอดว่าเอเลี่ยน เพราะมันแปลกประหลาดมาก เมื่อเทียบกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ฉันคิดว่าสิ่งที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับพวกเขาคือพวกเขา  ไม่ใช่  มนุษย์ต่างดาว บรรพบุรุษของเรามีวิวัฒนาการในสภาพแวดล้อมเดียวกันภายใต้เงื่อนไขเดียวกันหลายประการ พวกเขาทำบางสิ่งในการวิวัฒนาการในลักษณะเดียวกัน และสิ่งอื่น ๆ แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

เราแบ่งปันบรรพบุรุษร่วมกับเซฟาโลพอดเมื่อ 600 ถึง 800 ล้านปีก่อน และเราพัฒนาจีโนมมหาศาลและระบบประสาทที่ซับซ้อนอย่างอิสระโดยอิสระ ที่น่าสนใจ ถ้าคุณเปรียบเทียบขนาดของยีนในแต่ละจีโนม คุณจะเห็นว่าพวกมันมีขนาดใหญ่กว่าญาติสนิทที่มีระบบประสาทที่ซับซ้อนน้อยกว่ามาก ฉันตั้งสมมติฐานว่าปรากฏการณ์เหล่านี้เชื่อมโยงกัน – ยีนที่มีขนาดใหญ่มีส่วนทำให้เกิดความซับซ้อนของระบบประสาท ฉันศึกษาปลาหมึกเพื่อพยายามทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในลักษณะเดียวกันในวิวัฒนาการที่เป็นอิสระของเรา และสิ่งที่เกิดขึ้นแตกต่างออกไป เพราะสิ่งนี้สามารถช่วยให้เราค้นพบแง่มุมพื้นฐานของวิวัฒนาการของระบบประสาท

คุณเริ่มศึกษายีนขนาดใหญ่ในบริบทของประสาทวิทยาศาสตร์ได้อย่างไร

ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ฉันสังเกตเห็นว่ายีนที่ใหญ่ที่สุดในจีโนมแสดงออกมาในเซลล์ที่ฉันตั้งโปรแกรมใหม่ให้เป็นเซลล์ประสาท และใช้สิ่งนั้นเป็นเครื่องมือในการระบุยีนเหล่านั้น แต่แล้วฉันก็เริ่มคิดว่ามันเป็นมากกว่าเครื่องมือ: เกิดอะไรขึ้นถ้าสิ่งนี้บอกบางสิ่งที่เป็นพื้นฐานเกี่ยวกับเซลล์ประสาท ในฐานะที่เป็น postdoc ฉันหวังว่าจะมุ่งเน้นไปที่สาเหตุ – ยีนเหล่านี้มีขนาดใหญ่มากได้อย่างไร – และผลที่ตามมา – ยีนเหล่านี้สอนอะไรเราเกี่ยวกับเซลล์ประสาท

ยีนขนาดใหญ่ทำอะไรในเซลล์ประสาท?

หลายคนยอมให้เซลล์ประสาทรับรู้ซึ่งกันและกันและสร้างการเชื่อมต่อเฉพาะ เราคิดว่ายีนที่ใหญ่กว่า ซึ่งผลิตภัณฑ์สามารถสับเปลี่ยนและรวมกันในลักษณะเฉพาะ อาจช่วยผลิตโปรตีนของเซลล์ประสาทที่แตกต่างกันจำนวนมาก และทำให้เกิดการเชื่อมต่อที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น

ลักษณะการทำงานแบบสหวิทยาการของคุณส่งผลต่อคำถามที่คุณถามอย่างไร

ฉันตื่นเต้นที่สุดกับพื้นที่ที่เส้นแบ่งระหว่างสาขาวิชาไม่ชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สแตนฟอร์ด เทคนิคทางพันธุศาสตร์และการคำนวณกำลังเฟื่องฟู ทำให้เราสามารถมองในด้านอื่นๆ และถามคำถามเก่าๆ ด้วยเครื่องมือใหม่ๆ ฉันกำลังเข้าใกล้คำถามหนึ่ง – ระบบประสาทที่ซับซ้อนมีวิวัฒนาการอย่างไร – ด้วยเครื่องมือจากประสาทวิทยาศาสตร์ พันธุศาสตร์ และชีววิทยาวิวัฒนาการ แต่ละสาขามีประวัติของคำถามและเครื่องมือต่างๆ ที่พัฒนาขึ้นเพื่อจัดการกับปัญหาเหล่านั้น แต่ก็มีข้อสันนิษฐานที่ซ่อนอยู่ด้วยว่าการวิจัยแบบสหวิทยาการสามารถช่วยเปิดเผยและเอาชนะได้ มันเหมือนกับคำพูดที่ว่า “เมื่อคุณมีเพียงแค่ค้อน ทุกอย่างก็ดูเหมือนตะปู” สำหรับฉันมันน่าตื่นเต้นมากที่ได้ใช้เครื่องมือจากสาขาอื่นและเริ่มค้นหาคำถามเพื่อถาม – คุณเริ่มเห็นว่ามีอะไรอีกมากนอกนั้นนอกจากตะปู!

งานของฉันไม่ได้มีแค่ข้ามสาขาวิชาเท่านั้น มันยังอยู่ระหว่างสถาบัน Marine Biological Laboratory ที่ Woods Hole รัฐแมสซาชูเซตส์มีความสำคัญต่อการวิจัยของฉัน พวกเขากำลังบุกเบิกการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำเซฟาโลพอด [การเลี้ยงและการขยายพันธุ์ของสิ่งมีชีวิตในทะเล] พวกเขายินดีต้อนรับนักวิจัยอย่างฉันให้เข้ามาใช้ความเชี่ยวชาญและเทคนิคของเรากับระบบใหม่เหล่านี้

การทำงานกับปลาหมึกหางยาวที่ Marine Biological Laboratory (MBL) เป็นอย่างไร?

ฉันตื่นนอนเวลา 05.30 น. เข้าไปในห้องเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำและตรวจไข่ ปลาหมึกออกไข่ทุกวันตามซอกหิน ฉันอยู่ที่นั่นด้วยตัวเองในตอนเช้า ไฟดับลง ฉันเอื้อมมือเข้าไปในแท็งก์ขนาดใหญ่ หยิบซุ้มหิน และพบไข่ 50-100 ฟอง ส่วนใหญ่ปลาหมึกจะนอนหรือฝังตัวอยู่ในทราย ก่อนที่ MBL จะหยุดระบบนี้ การหาไข่เหล่านี้เป็นเรื่องยาก

นั่นเป็นส่วนหนึ่งของการจับฉลากของ MBL: การใช้เวลากับสัตว์ต่างๆ ที่คุณไม่เคยเห็นที่ไหนมาก่อน นักวิจัยรวบรวมจากทั่วทุกมุมโลกในช่วงฤดูร้อนทุกปี คำถามที่ผู้คนถามนั้นมีความหลากหลายและแปลกใหม่สำหรับฉัน ฉันมาจากโรงเรียนแพทย์ในฐานะนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา และงานก่อนหน้าของฉันส่วนใหญ่เป็นงานทางคลินิกหรือการแปล ฉันตื่นเต้นที่ได้มาอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีชีววิทยาพื้นฐานเกือบทั้งหมด แค่สังเกตสัตว์เหล่านี้ – ฉันพบว่ามันน่าทึ่ง

งานวิจัยของคุณมีองค์ประกอบการแปลนอกเหนือจากชีววิทยาพื้นฐานหรือไม่?

ยีนขนาดใหญ่มีการกลายพันธุ์มากขึ้น ซึ่งเป็นการเปิดโอกาสใหม่สำหรับโรค มีหลักฐานว่าความผิดปกติทางระบบประสาทหลายอย่างมีส่วนประกอบของขนาดยีน ตัวอย่างเช่น ในโรคอัลไซเมอร์และโรคทางระบบประสาทอื่นๆ เราพบว่ามีการควบคุมยีนขนาดใหญ่ที่ผิดพลาด นี่อาจเป็นเครื่องหมายของสิ่งอื่นที่เกิดขึ้นหรืออาจเป็นสาเหตุของโรคเอง เรายังไม่รู้ เวลาของฉันในฐานะ postdoc เป็นโอกาสสำหรับฉันที่จะดำดิ่งลงไปในชีววิทยาพื้นฐานของขนาดยีน และสิ่งนี้ได้เริ่มเปิดเผยจุดเริ่มต้นที่เป็นไปได้ในการศึกษาและรักษาโรคที่ฉันหวังว่าจะพัฒนาในขั้นต่อไปในอาชีพการงานของฉัน

 การเปลี่ยนจากชีววิทยาขั้นพื้นฐานที่ Marine Biological Laboratory เป็นการวิจัยเชิงแปลโดยเน้นที่โรคเป็นอย่างไร

ฉันตื่นเต้นกับมัน เป็นสิ่งที่ฉันหวังว่าจะทำไปตลอดชีวิตที่เหลือในอาชีพการงานของฉัน การศึกษาชีววิทยาสามารถและควรมีประโยชน์โดยมีผลทันที ควรเป็นพื้นฐานและพื้นฐานด้วย ฉันจินตนาการถึงวิธีการสองง่ามเสมอ: ค้นหาแง่มุมพื้นฐานของชีววิทยาและนำไปใช้กับโรคและสุขภาพ คุณไม่มีทางรู้หรอกว่าอะไรจะมีประโยชน์ — อะไรจะเปลี่ยนแปลงวิธีที่เรามองหรือรักษาโรค

หน้าแรก