ความหลากหลาย กำเนิดตัวอ่อน และบทบาทในการควบคุมร่างกาย
ระบบประสาทส่วนปลาย (PNS) เป็นระบบที่มีความหลากหลายสูงและมีบทบาทกว้างขวางในร่างกาย ตั้งแต่การสื่อสารระหว่างสมองกับอวัยวะต่าง ๆ ไปจนถึงการควบคุมกระบวนการพัฒนา การซ่อมแซมเนื้อเยื่อ และช่องเซลล์ต้นกำเนิด บทความนี้สำรวจทั้งโครงสร้าง หน้าที่ กำเนิดของเซลล์ในแต่ละโดเมน พร้อมชี้ให้เห็นถึงการค้นพบล่าสุดจากเทคโนโลยี single-cell transcriptomics ที่ปฏิวัติความเข้าใจของเราต่อระบบนี้
ทำไม PNS จึงน่าสนใจ
ความซับซ้อนของเส้นประสาทในร่างกายมนุษย์เป็นสิ่งที่ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์มานานหลายศตวรรษ ตั้งแต่ศัลยแพทย์ยุคแรก ๆ ไปจนถึงนักชีววิทยาพัฒนาการและนักประสาทวิทยาสมัยใหม่ ความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของ PNS มีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีทางการแพทย์ล้ำสมัย เช่น bionic interfaces และ electroceuticals ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จำลองหรือปรับสัญญาณประสาทเพื่อรักษาโรค
ในทศวรรษที่ผ่านมา การถือกำเนิดของเทคโนโลยี single-cell transcriptomics ได้เปิดมิติใหม่ในการศึกษา PNS ทำให้สามารถค้นพบชนิดเซลล์ประสาทใหม่ ๆ และปรับปรุงการจำแนกประเภทที่มีอยู่ได้อย่างมีนัยสำคัญ
สี่โดเมนหลักของ PNS
โดยทั่วไป PNS แบ่งออกเป็นสี่โดเมนหลักตามโครงสร้างและหน้าที่:
ระบบรับความรู้สึก (Sensory)
ระบบรับความรู้สึกของ PNS ครอบคลุมหลายระบบย่อย ได้แก่ ระบบรับกลิ่น (olfactory) ระบบได้ยิน (auditory) ระบบรับรส (gustatory) และระบบรับความรู้สึกทางกาย (somatosensory) ซึ่งรับข้อมูลเกี่ยวกับความเจ็บปวด อุณหภูมิ สัมผัส และตำแหน่งของร่างกายในอวกาศ
เซลล์ประสาทรับความรู้สึกส่วนใหญ่จัดระเบียบกันใน dorsal root ganglia (DRG) ซึ่งอยู่ถัดจากไขสันหลัง การศึกษาด้วย single-cell transcriptomics ล่าสุดช่วยให้เข้าใจถึงความหลากหลายของชนิดย่อยของเซลล์ประสาทเหล่านี้ได้ดียิ่งขึ้น โดยแต่ละชนิดย่อยมีลายเซ็นระดับโมเลกุลเฉพาะตัวที่ทำให้สามารถทำหน้าที่เฉพาะได้
เซลล์ประสาทในกลุ่มนี้มีหน้าที่แตกต่างกันตามลักษณะความรู้สึกที่รับ ได้แก่ nociception (ความเจ็บปวดและอุณหภูมิ) mechanoreception (สัมผัส) และ proprioception (ตำแหน่งและการเคลื่อนไหวของร่างกาย) แต่ละกลุ่มมีรหัสปัจจัยการถอดรหัส (transcription factor) เฉพาะที่กำหนดอัตลักษณ์ของเซลล์
ระบบควบคุมการเคลื่อนไหว (Motor)
ระบบ motor ของ PNS ประกอบด้วยการฉายแนวเส้นประสาทของ motor neurons (MNs) ที่ตั้งอยู่ในระบบประสาทส่วนกลาง (CNS) ไปยังกล้ามเนื้อและอวัยวะต่าง ๆ โดยแบ่งออกเป็น cranial MNs (ควบคุมใบหน้า การเคี้ยว การกลืน) และ spinal MNs (ควบคุมกล้ามเนื้อลำตัวและแขนขา)
Spinal MNs จัดเรียงตัวเป็นคอลัมน์กายวิภาคที่ทอดยาวตามแนวแกนของไขสันหลัง เช่น medial motor column (MMC) สำหรับกล้ามเนื้อแกนกลาง และ lateral motor column (LMC) สำหรับแขนขา ความหลากหลายของ MNs ในผู้ใหญ่ถูกไขกระจ่างด้วยการวิเคราะห์ single-cell ที่พบว่ามีกลุ่มย่อยมากกว่าที่เคยเข้าใจ
ระบบอัตโนมัติและลำไส้
ระบบอัตโนมัติแบ่งเป็น sympathetic (“fight or flight”) และ parasympathetic (“rest and digest”) ซึ่งทำงานตรงข้ามกันเพื่อรักษาสมดุลของร่างกาย การศึกษาล่าสุดยังเสนอว่า sacral autonomic domain ซึ่งเคยถูกจัดว่าเป็น parasympathetic ควรถูกจัดใหม่เป็น sympathetic โดยอาศัยการแสดงออกของปัจจัยการถอดรหัส Olig2 และ Foxp1 ซึ่งเป็นประเด็นที่ยังมีการถกเถียงในวงการวิชาการ
ส่วน ENS (enteric nervous system) นั้นน่าทึ่งตรงที่มีจำนวนเซลล์ประสาทใกล้เคียงกับไขสันหลัง และทำหน้าที่ได้อย่างค่อนข้างเป็นอิสระ ระบบนี้ไม่เพียงควบคุมการเคลื่อนไหวของลำไส้ แต่ยังมีปฏิสัมพันธ์กับระบบภูมิคุ้มกันและจุลินทรีย์ในลำไส้ผ่านแกน gut-brain axis
กำเนิดของเซลล์ประสาท: สามแหล่งสำคัญ
หนึ่งในความน่าทึ่งของระบบประสาทส่วนปลายคือเซลล์ประสาทที่ประกอบกันขึ้นมาไม่ได้มาจากแหล่งเดียว แต่เกิดจากสามกลุ่มเซลล์ต้นกำเนิดที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงในช่วงพัฒนาการของตัวอ่อน
Neural crest cells
แหล่งกำเนิดที่ใหญ่ที่สุดและเป็นที่ศึกษามากที่สุดคือ neural crest cells (NCCs) เซลล์กลุ่มนี้แยกตัวออกจากขอบของ neural plate และอพยพออกจาก dorsal neural tube ในช่วงที่ท่อประสาทกำลังปิดตัว จากนั้นจึงเดินทางไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้าอย่างแม่นยำ เพื่อไปสร้างโครงสร้างประสาทในตำแหน่งต่าง ๆ ของร่างกาย
NCCs เป็นแหล่งกำเนิดหลักของ dorsal root ganglia (DRG) ซึ่งเป็นศูนย์รวมเซลล์ประสาทรับความรู้สึกที่กระจายอยู่ตลอดความยาวของไขสันหลัง นอกจากนี้ยังสร้าง sympathetic chain ganglia และเซลล์ประสาทอัตโนมัติส่วนใหญ่ด้วย การอพยพของ NCCs ถูกนำทางด้วยสัญญาณโมเลกุล เช่น BMPs และ SDF1 (CXCL12) ที่หลั่งออกมาจากบริเวณ dorsal aorta กระบวนการสร้างเซลล์ประสาทจาก NCC ใน DRG เกิดขึ้นเป็นสามระลอกต่อเนื่องกัน ตั้งแต่ early NCC migration, post-migratory proliferating progenitors ไปจนถึง boundary cap (BC) stem cells ซึ่งช่วยกำหนดชนิดย่อยของเซลล์ประสาทให้ครบถ้วน
Neurogenic placodes
แหล่งกำเนิดที่สองคือ neurogenic placodes ซึ่งเป็นกลุ่มเนื้อเยื่อผิวหนังเฉพาะบริเวณ (specialized ectodermal thickenings) ที่เรียงตัวอยู่รอบส่วนหัวของตัวอ่อน placodes เหล่านี้ทั้งหมดกำเนิดมาจากโครงสร้างรูปเกือกม้าที่เรียกว่า preplacodal ectoderm ซึ่งตั้งอยู่ที่ขอบด้านหน้าของ neural plate ก่อนที่จะแยกตัวออกเป็นอาณาเขต placodal ที่ชัดเจนในภายหลัง
neuroblasts จาก placodes แยกตัวออกและเคลื่อนตัวลึกเข้าไปใน mesenchyme เพื่อก่อตัวเป็น ganglia ต่าง ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง olfactory placode ให้กำเนิด olfactory receptor neurons, otic placode สร้างเซลล์ประสาทสองขั้วใน cochlear และ vestibular ganglia ที่รับข้อมูลเสียงและการทรงตัว ขณะที่ epibranchial placodes (geniculate, petrosal, nodose) สร้างเซลล์ประสาทรับความรู้สึกสำหรับการรับรส การรับรู้อวัยวะภายใน และข้อมูลจากหัวใจและระบบทางเดินอาหาร เป็นที่น่าสังเกตว่าส่วนประกอบ glial ของ ganglia แม้แต่ที่กำเนิดจาก placodes ก็ยังคงมาจาก neural crest เสมอ
Schwann cell precursors
แหล่งกำเนิดที่สามเป็นการค้นพบที่โดดเด่นที่สุดในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา นั่นคือ Schwann cell precursors (SCPs) SCPs คือเซลล์ต้นกำเนิดอเนกประสงค์ที่มาจาก neural crest และตั้งถิ่นฐานอยู่บนเส้นประสาทระหว่างการพัฒนาตัวอ่อน แต่ก่อนหน้านี้ไม่มีใครทราบว่าพวกมันสามารถก้าวข้ามขีดจำกัดของการเป็น glial progenitor และสร้างเซลล์ประสาทได้
SCPs ไม่ได้แค่ “ห่อหุ้ม” เส้นประสาท — พวกมันยังทำหน้าที่เป็นคลังเซลล์ต้นกำเนิดเคลื่อนที่ที่สามารถถูกเรียกใช้ให้สร้างอวัยวะและโครงสร้างต่าง ๆ ได้ตามความต้องการของร่างกายในระหว่างการพัฒนา
กลไกนี้อธิบายกำเนิดของ parasympathetic neurons หลายกลุ่ม รวมถึง chromaffin cells ของ adrenal medulla และ Organ of Zuckerkandl โดย SCPs เดินทางมาพร้อมกับ presynaptic fibers และแยกตัวออกเป็นเซลล์ประสาทเมื่อถึงปลายทาง นอกจากนี้ SCPs ยังมีบทบาทสำคัญในการสร้าง enteric neurons ของลำไส้บางส่วน รวมถึง — ด้วยความน่าแปลกใจอย่างยิ่ง — เซลล์สร้างเม็ดสี (melanocytes) และแม้แต่เซลล์กระดูกและฟันบางชนิด ซึ่งชี้ให้เห็นว่าระบบประสาทส่วนปลายมีบทบาทที่กว้างกว่าที่เคยเชื่อมากในการพัฒนาเนื้อเยื่ออื่น ๆ ของร่างกาย
ยิ่งกว่านั้น ขนาดของ adrenal medulla ยังถูกควบคุมโดย serotonin ในระดับ local paracrine ระดับรก และระดับ systemic maternal ซึ่งจำกัดกระบวนการแปลงร่างจาก SCP ไปเป็น chromaffin cell นับเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่าการพัฒนาของ PNS ไม่ได้ถูกกำหนดตายตัวจากยีนเท่านั้น แต่ยังตอบสนองต่อสัญญาณจากสิ่งแวดล้อมรอบ ๆ ด้วย
ช่องว่างความรู้และทิศทางอนาคต
เทคโนโลยีที่คาดว่าจะช่วยไขปัญหาเหล่านี้ ได้แก่ single-cell multi-omics, viral connectivity tracing, optogenetics, chemogenetics และ spatial transcriptomics ซึ่งจะช่วยให้เราเข้าใจทั้งความหลากหลายและการทำงานร่วมกันของ PNS ได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้น
แหล่งอ้างอิงหลักของบทความ
Murtazina, A. and Adameyko, I. (2023). The peripheral nervous system. Development 150, dev201164.