โดยสมองของเราจะเป็นตัวกำหนดการรับรู้ การกระทำ ความคิดและความรู้สึก รวมถึงอุปนิสัยของเราแต่ละคน แต่พื้นฐานทางพันธุกรรม ประสบการณ์ชีวิต สิ่งแวดล้อมและผู้คนรอบตัวก็มีบทบาทสำคัญเช่นเดียวกัน เราจะได้รับข้อมูลเข้ามาในสมองผ่านประสาทสัมผัสเช่น การมองเห็น การสัมผัส การฟังและการรับรู้รส โดยสมองจะเป็นพื้นที่ที่เราจะได้เห็นภาพของสิ่งแวดล้อมรอบตัวที่เป็นเอกลักษณ์และแตกต่างจากคนอื่น ในสมองมนุษย์เราจะมีการฉายภาพเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นทุกชั่วขณะทั้งในแบบที่เรารู้ตัวและไม่รู้ตัว ซึ่งตัวสมองเองก็จะเปลี่ยนแปลงตัวเองตามไปด้วย

การพัฒนาที่สำคัญของเทคนิคการใช้กล้องจุลทรรศน์และเครื่องมือตรวจจับภาพอื่นๆ ทำให้เราค่อยๆ เห็นภาพและเข้าใจวิธีการทำงานของสมองเราได้ชัดเจนขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ต่างยังหาคำตอบเกี่ยวกับเรื่องต่างๆ ที่ซับซ้อนและยังหาคำตอบไม่ได้อีกมากมายเกี่ยวกับอวัยวะดังกล่าว โดยความรู้ที่ได้จากการวิจัยสมองไม่ได้มีความสำคัญแต่เพียงกับการแพทย์เท่านั้น หากแต่ยังมีผลต่อด้านอื่นๆ ในสังคม เช่น การศึกษา การอบรมสั่งสอนและการตุลาการ


สมองเรามีโครงสร้างอย่างไร
สมองของมนุษย์เป็นอวัยวะที่ซับซ้อนที่สุดที่ธรรมชาติสร้างมาให้ โดยมีสมรรถภาพการทำงานดีกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ดีที่สุดเสียอีก สมองจะถูกแบ่งระบบการทำงานออกเป็นหลายวงจรในแต่ละระดับ ตั้งแต่วงจรการทำงานในแต่ละจุดประสานประสาทไปจนถึงวงจรเครื่องข่ายระหว่างเซลล์หลายล้านเซลล์ สมองของมนุษย์ประกอบไปด้วยส่วนต่างๆ เช่น สมองส่วนใหญ่ สมองส่วนเล็กหรือแกนสมอง ซึ่งต่างก็มีหน้าที่ของมันเอง ถึงแต่ละส่วนจะมีการทำงานแตกต่างกัน แต่สมองแต่ละส่วนก็ต้องทำงานร่วมกัน ด้วยเหตุนี้ การเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาทจะเชื่อมต่อกับเซลล์ทั้งที่อยู่ใกล้และอยู่ไกลออกไป
  ©
เยื่อหุ้มสมอง

ส่วนนอกของสมองใหญ่หรือที่เรียกว่า เยื่อหุ้มสมอง เป็นส่วนที่ปกคลุมทั้งตัวสมอง โดยจะมีรอยโค้งรอยหยักต่างๆ ทำให้เราเห็นตัวสมองเป็นรูปผลวอลนัท เนื้อเยื่อหุ้มสมองจะเป็นตัวควบคุมการรับรู้ สติและพฤติกรรมของเรา ทำให้เราสามารถสื่อสาร แก้ไขปัญหายากๆ จำแนกและเรียงลำดับสิ่งของต่างๆ รอบตัวได้

ฟรอนตัลโลบ
ฟรอนตัลโลบเป็นสมองส่วนหน้าทั้งหมดของเยื่อหุ้มสมอง เป็นที่บังคับควบคุมการเคลื่อนไหวร่างกาย โดยเฉพาะในเรื่องของความเร็ว ทิศทางและการพัฒนาขีดความสามารถ นักวิทยาศาสตร์หลายคนต่างก็คาดการณ์ว่า มันเป็นส่วนที่สำคัญสำหรับการนึกคิดของมนุษย์และเรียกสมองส่วนหน้าว่าเป็นเหมือน “จุดกำเนิดวัฒนธรรม” ส่วนหน้าสุดของฟรอนตัลโลบมีหน้าที่ดูแลเกี่ยวกับสมาธิ การนึกคิด การตัดสินใจและการวางแผน และเปรียบเสมือนจุดกำเนิดลักษณะนิสัยของแต่ละคน

เทมโพรัลโลบ
การทำงานที่เราทราบกันดีที่สุดของเทมโพรัลโลปคือด้านการฟัง โดยศูนย์การฟังจะกินพื้นที่แทบทั้งหมดของเทมโพรัลโลบ ความสามารถด้านดนตรีและภาษาจึงต้องมีพื้นที่ดังกล่าวซึ่งเปรียบเสมือน “ตัวกรองสกรีน” ที่มีประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ เทมโพรัลโลบยังมีความจำเป็นต่อความสามารถอื่นๆ เช่น การดม การพูด การทำความเข้าใจ การรับรู้ภาพและการจำ

ฮิปโปแคมปัส
ฮิปโปแคมปัสมีลักษณะเหมือนชิ้นเยื่อหุ้มสมองที่ “ม้วนเป็นก้อน” และเป็นศูนย์กลางของระบบลิมบิคในร่างกาย มันเป็นที่เก็บความรู้และประสบการณ์ - หากไม่มีอวัยวะส่วนดังกล่าว เราก็จะไม่มีทางจำอะไรได้เลย ฮิปโปแคมปัสเป็นส่วนสมองเพียงไม่กี่ส่วนที่สามารถผลิตเซลล์ประสาทได้ตลอดชีวิต

ระบบลิมบิค
ระบบลิมบิคเป็นกลุ่มพื้นที่ต่างๆ ในสมองซึ่งมีความสำคัญต่อการเกิดและการทำงานของอารมณ์ รวมถึงกระบวนการจำอีกด้วย ส่วนสมองในระบบที่สำคัญที่สุด ได้แก่ ฮิปโปแคมปัส อมิกดาลา (ผลอัลมันต์) ลอนสมอง cinguli และลอนสมอง parahippocampalis พื้นที่สมองดังกล่าวมีความเชื่อมโยงซึ่งกันและกันอย่างเหนียวแน่น ระบบลิมบิคจะคอยควบคุมอารมณ์ ความต้องการทางเพศและยังวัดระดับความสำคัญของข้อมูลรอบตัวเราอีกด้วย

ไฮโพทาลามัส
ไฮโพทาลามัสเป็นตัวควบคุมการทำงานของร่างกายต่างๆ ที่สำคัญ เช่น การขยายพันธ์ุ การโภชนาการ การปรับระดับอุณหภูมิและการปรับเวลาในร่างกาย มันเป็นศูนย์กลางที่แยกออกมาของระบบประสาท ซึ่งคอยควบคุมกระบวนการทำงานของจิตใต้สำนึก เช่น การหายใจหรือการเต้นของหัวใจ ส่วนหลังของไฮโพทาลามัสเป็นส่วนหนึ่งของระบบลิมบิค

ต่อมใต้สมอง
ต่อมใต้สมอง (ไฮโพไฟส์) มีขนาดเท่ากับถั่วหนึ่งเมล็ด แต่ก็มีความสำคัญต่อชีวิตเรามาก ด้วยฉายา “ราชินีแห่งต่อม” ต่อมใต้สมองเป็นตัวกำหนดระบบฮอร์โมนในร่างกาย โดยจะปล่อยฮอร์โมนเข้าสู่กระแสเลือดและมีไฮโพทาลามัสเป็นตัวควบคุมอีกทอดหนึ่ง ต่อมใต้สมองจึงมีหน้าที่ดูแลรักษาการทำงานของร่างกาย เช่น การเติบโตและการขยายพันธุ์ รวมถึงการเผาผลาญอาหาร

สมองน้อย
สมองน้อยอยู่ทางด้านหลังของกระโหลกศีรษะ มันเป็นส่วนที่เก่าแก่มากส่วนหนึ่งในสมองตามประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของมนุษย์ โดยจุดเชื่อมโยงระหว่างเซลล์ประสาทในบริเวณดังกล่าวจะมีความซับซ้อนน้อยกว่าในสมองใหญ่ สมองน้อยคอยประสานควบคุมความเคลื่อนไหวของร่างกาย การวางท่าทางและการเดิน แต่ก็ยังควบคุมการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น การเขียน ถึงแม้ว่าจะมีขนาดเล็ก แต่สมองน้อยประกอบไปด้วเซลล์ต่างๆ ซึ่งมีจำนวนมากกว่าส่วนอื่นๆ ทั้งหมดของสมองรวมกัน

แกนสมอง
แกนสมองเป็นส่วนที่เชื่อมต่อกับเส้นประสาทไขสันหลังโดยตรง และเปรียบเสมือน “ศูนย์กลางทางเทคนิค” ของสมอง ถึงแม้จะมีขนาดเล็กกว่าหัวแม่มือ แต่ก็มีหน้าที่ควบคุมและดูแลกระบวนการที่อยู่ในจิตใต้สำรึกและจำเป็นต่อการใช้ชีวิต เช่น การไหลเวียนโลหิต การหายใจหรือการนอน มันเป็นส่วนสมองที่เก่าแก่ที่สุดตามประวัติศาสตร์การพัฒนาการของสมอง จึงเป็นส่วนที่ไม่มีลักษณะแตกต่างระหว่างมนุษย์และสัตว์เท่าไหร่นัก

การสื่อสารเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด
สมองของเรามีเครือข่ายอันซับซ้อนที่ประกอบไปด้วยเซลล์ประสาทกว่าพันล้านตัว โดยเซลล์แต่ละตัวก็มีการสื่อสารระหว่างกันและกันอยู่ตลอดเวลา โดยเซลล์ประสาทจะคอยสร้างหรือแยกจุดเชื่อมโยงระหว่างกันและกัน รวมถึงการเพิ่มและลดจุดเชื่อมโยงดังกล่าวอยู่ตลอดเวลา และนี่ก็เป็นเงื่อนไขที่ทำให้เราสามารถเรียนรู้และลืมสิ่งต่างๆ ได้ เซลล์ประสาทจะใช้ใยประสาทรับตัวกระตุ้นไฟฟ้าและส่งผ่านต่อไปยังตัวเซลล์ จากตัวเซลล์ก็จะส่งต่อผ่านแกนประสาทไปยังเซลล์ประสาทเซลล์อื่นๆ การส่งผ่านจากเซลล์หนึ่งไปอีกเซลล์หนึ่งจะเกิดขึ้นบริเวณจุดประสานประสาท โดยเป็นจุดที่ตัวกระตุ้นไฟฟ้าจะแปรแปลี่ยนไปเป็นตัวกระตุ้นทางเคมี เซลล์ประสาทบางเซลล์ในสมองสามารถรับสัญญาณจากกว่า 10,000 เซลล์ประสาทอื่นๆ และบางเซลล์ก็สามารถส่งต่อสัญญาณดังกล่าวไปยังเซลล์หลายพันเซลล์อื่นๆ ได้

  เซลล์ประสาทในสมองจะจัดเรียงกันเป็นชั้นๆ ชั้นเซลล์และจุดประสานทั้งหลายต่างๆ ถือเป็นเงื่อนไขสำคัญในการกรองข้อมูลต่างๆ อย่างรวดเร็ว

ทางด่วนทางความคิด
การจัดเรียงลำดับการทำงานบางอย่างของพื้นที่สมองแต่ละส่วนไม่สามารถอธิบายการทำงานอันซับซ้อนของสมองได้ เพราะการกระทำ อารมณ์และสมาธิของเราต่างก็มีความเกี่ยวเนื่องซึ่งกันและกัน รวมถึงความสามารถทางความคิด เช่น การคำนวณก็สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อพื้นที่สมองหลายส่วนเริ่มเชื่อมโยงซึ่งกันและกัน ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงที่ซับซ้อน โดยในสมองจะมีการขับเคลื่อนของกลุ่มเส้นใยประสาท ซึ่งเป็นการรวมกลุ่มกันของเซลล์จากหลายส่วนของสมองแบบ “ข้ามสาย” นักวิทยาศาสตร์สามารถศึกษาเข้าใจการเชื่อมโยงของส่วนต่างๆ ของสมองในสมองมนุษย์ที่ยังมีชีวิตอยู่ด้วยเครื่องตรวจร่างกายโดยการสร้างภาพเหมือนจริง (MRI) เป็นเทคนิคที่ไม่รุกราน ไม่อันตรายและแม่นยำมาก โดยจะวัดการกระจายการเคลื่อนไหวของโมเลกุลน้ำในเนื้อเยื่อ โมเลกุลดังกล่าวจะสามารถเคลื่อนตัวตามแนวกลุ่มเส้นใยประสาทได้เร็วและง่ายมากกว่าการเคลื่อนทะลุเข้าไป ในเวลาต่อมา นักวิจัยจะตีค่าการกระจายตัวของเกรเดียนต์ออกมาในรูปของแผ่นสีเรืองแสง

  © Max Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften, Leipzig / Ralph Schurade, Alfred Anwander / ซอฟแวร์ทำภาพ Fibernavigator 2
เครื่องตรวจ MRT ช่วยให้เราเห็นกลุ่มเส้นใยประสาทกลุ่มใหญ่ได้ชัดเจนขึ้น สีที่เห็นจะแสดงถึงการวางตัวของเส้นใยประสาท

เป็นมากกว่าการบริการเซลล์ประสาท
นอกเหนือจากเซลล์ประสาทแล้ว ในสมองของเรายังมีเซลล์อีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่าเกลียลเซลล์ หากปราศจากเซลล์ชนิดดังกล่าวแล้ว สมองเราก็จะไม่สามารถทำงานได้เลย เกลียลเซลล์เป็นโครงสร้างพื้นฐานของสมองและช่วยให้การปฎิบัติการข้อมูลในสมองเป็นไปอย่างรวดเร็ว โดยจะคอยส่งสารอาหารให้เซลล์ประสาทและขจัดของเสียจากเซลล์ด้วย นอกจากนี้ เกลียลเซลล์ยังสร้างชั้นที่ช่วยแยกเส้นประสาทขนาดยาวด้วยพลังงานไฟฟ้าออกจากส่วนอื่น เป็นเหมือนเงื่อนไขสำคัญในการส่งผ่านข้อมูลของระบบประสาททั่วไปของสัตว์มีกระดูกสันหลังชนิดต่างๆ เหล่านักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Max Planck ในเมืองเกอธิงเกำลังศึกษาวิจัยความสำคัญของเซลล์ดังกล่าวต่อโรคทางระบบประสาทและทางจิต นักประสาทชีววิทยา Magdalena Götz จากเมืองมิวนิคค้นพบว่า ในระหว่างการพัฒนาการของสมองเซลล์ประสาทของเกลียลเซลล์ก็พัฒนาขึ้นด้วยเช่นกัน ในปัจจุบัน กำลังศึกษาว่ามีการผลิตเซลล์ประสาทใหม่จากเกลียลเซล์ในสมองที่พัฒนาแล้วหรือไม่ เช่น หลังจากที่เกิดความเสียหายของสมองหรือเส้นเลือดในสมองแตกเฉียบพลัน

  © Max-Planck-Institut für Neurobiologie, Martinsried / Volker Staiger
มื่อสมองได้รับความเสียหาย เกลียลเซล์บางชนิดจะเริ่มทำงาน เซลล์ไมโครเกลียล (สีแดง) และเซลล์อัสโตรไซต์ (สีเขียว) จะคอยยึด ปกป้องและให้อาหารแก่เซลล์ประสาท (สีฟ้าเขียว) เพื่อให้เซลล์ประสาทฟื้นตัวได้อีกครั้ง


แผนผังสมอง
เราเรียกจุดเชื่อมโยงประสาททั้งหมดของสิ่งมีชีวิตว่า คอนเน็กตัม ชื่อดังกล่าวช่วยให้เราเห็นภาพการเชื่องโยงเป็นเครือข่ายที่เหนียวแน่นของเซลล์ประสาทได้ชัดเจน และเราสามารถเข้าใจการทำงานของมันได้ผ่านการเชื่อมโยงดังกล่าวได้เท่านั้น คอนเน็กตัมของสมองมนุษย์มีการทำงานที่ซับซ้อนมาก เหล่านักวิทยาศาสตร์จึงทำการวิจัยหลักการทำงานของสมองผ่านสมองซึ่งมีระดับโครงสร้างของสัตว์อื่นๆ เช่น หนู ซึ่งไม่มีความซับซ้อนมากนัก เหล่านักวิจัยจากสถานบันวิจัยสมอง สถาบัน Max Planck จึงสามารถทำแผนผังการทำงานของส่วนย่อยๆ ของสมองหนูอย่างชัดเจนได้สำเร็จในปี 2019 ซึ่งเป็นเรื่องที่ไม่เคยมีใครทำได้มาก่อน แผนผังการทำงานระหว่างใยประสาทประมาณ 7,000 ใย ซึ่งเปรียบเหมือน ”สายเคเบิ้ลประสาท” ที่มีความยาวกว่าสองเมตรครึ่ง โดยเป็นการเชื่อมโยงระหว่างจุดประสานประสาทกว่า 400,000 จุด โดยทีมวิจัยได้ใช้เทคนิคการเก็บภาพใหม่ซึ่งใช้ปัญญาประดิษฐ์หรือเอไอเป็นหลัก แผนผังดังกล่าวจึงสามารถแสดงให้เราเห็นเป็นครั้งแรกว่า จุดประสานประสาทจุดใหม่ๆ จะมีการจัดวางลำดับตามกฎที่มีลักษณะตายตัว

  © Reprinted with permission from A Motta et al., Science. DOI: 10.1126/science.aay3134
ส่วนหนึ่งของเนื้อเยื่อหุ้มสมองของหนูตัวหนึ่ง - ภาพจำลองจากซอฟแวร์การเก็บภาพที่ใช้เทคโนโลยีเอไอเป็นเครื่องมือ