Plasticity ของ Primary Motor Cortex: จากแผนที่สมองสู่การเรียนรู้และการรู้คิด

การจัดระเบียบเชิงหน้าที่ของ M1: เหนือกว่าแนวคิด Homunculus

ตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 งานวิจัยที่ใช้การกระตุ้นไฟฟ้าความเข้มต่ำเพื่อทำแผนที่หน้าที่ของ MI ได้เผยให้เห็นแผนที่การแทนตำแหน่งร่างกาย (somatotopic map) ที่มีลักษณะคล้าย “homunculus” ภาพการ์ตูนที่บิดเบือนสัดส่วนร่างกาย โดยมีโครงสร้างหลักคือการเรียงตัวจากตรงกลางไปด้านข้างของขา แขน และศีรษะ/ใบหน้า

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลจากวิธีการสมัยใหม่ โดยเฉพาะเทคนิค intracortical electrical stimulation ที่พัฒนาโดย Stoney และคณะ (1968) ได้ปฏิเสธแนวคิดการเรียงตัวแบบจุดต่อจุด (point-to-point topography) อย่างชัดเจน แม้จะยังคงพบการแบ่งแยกเป็นบริเวณย่อยสำหรับขา แขน และศีรษะ แต่ภายในแต่ละบริเวณย่อยกลับมีลักษณะเป็นเครือข่ายกระจาย (distributed network) ที่เกี่ยวข้องกับประชากรเซลล์ประสาทจำนวนมากซ้อนทับกัน ไม่ใช่การกำหนดเซลล์ประสาทเฉพาะสำหรับควบคุมอวัยวะส่วนใดส่วนหนึ่งอย่างตายตัว

หลักฐานสนับสนุนแนวคิดนี้มาจากหลายแหล่ง การบันทึกสัญญาณเซลล์ประสาทเดี่ยวแสดงให้เห็นว่าเซลล์ประสาทหนึ่งเซลล์ในบริเวณแขนของ MI สามารถส่งอิทธิพลต่อกล้ามเนื้อแขนหลายมัดพร้อมกัน รวมถึงทั้งกล้ามเนื้อส่วนต้นและส่วนปลายร่วมกัน นอกจากนี้ การศึกษาด้วยเทคนิคสร้างภาพประสาท เช่น PET และ fMRI ในมนุษย์ ก็แสดงรูปแบบการกระตุ้นที่ซ้อนทับกันสำหรับการเคลื่อนไหวของนิ้ว ข้อมือ และข้อศอกภายในบริเวณแขนของ MI เช่นกัน ซึ่งสอดคล้องกับการที่บริเวณแขนของ MI มีการเชื่อมต่อแนวนอน (horizontal interconnectivity) อย่างกว้างขวางโดยไม่มีรูปแบบ topographic ที่ชัดเจนสำหรับนิ้ว ข้อมือ หรือส่วนอื่นของแขน

สถาปัตยกรรมเชิงพลวัตของ M1: Plasticity

หนึ่งในประเด็นที่น่าสนใจที่สุดของพฤติกรรมการเคลื่อนไหวในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมที่มีสมองพัฒนาสูง คือความยืดหยุ่นอันน่าทึ่งของพฤติกรรมการเคลื่อนไหว ซึ่งบ่งชี้ว่าน่าจะมีสถาปัตยกรรมที่ปรับเปลี่ยนได้ภายในวงจรของคอร์เทกซ์สั่งการ

การทำแผนที่ด้วย intracortical electrical stimulation แสดงให้เห็นว่าแผนที่ภายใน MI สามารถจัดระเบียบใหม่ได้อย่างรวดเร็วและคงอยู่ในระยะยาว ตัวอย่างสำคัญคือการศึกษาในหนูที่ตัดเส้นประสาท facial motor nerve ซึ่งทำหน้าที่เลี้ยงกล้ามเนื้อหนวด (whisker) พบว่าบริเวณ MI ที่เคยควบคุมหนวดสูญเสียหน้าที่ไป และถูกแทนที่ด้วยการแทนตำแหน่งของบริเวณขาหน้าหรือตา/เปลือกตาที่อยู่ติดกัน การจัดระเบียบใหม่นี้เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายในไม่กี่ชั่วโมงหลังการตัดเส้นประสาท และคงรูปแบบพื้นฐานอยู่ได้นานหลายเดือน

ในมนุษย์ การพัฒนาวิธีการกระตุ้นผ่านกะโหลกศีรษะ (transcranial stimulation) ได้ขยายขอบเขตการศึกษาแผนที่ MI ออกไปอย่างกว้างขวาง โดยพบว่าปัจจัยหลายอย่างสามารถปรับเปลี่ยนการแทนตำแหน่งการเคลื่อนไหวใน MI ได้ ได้แก่ การตัดแขนขา การบาดเจ็บไขสันหลัง การเปลี่ยนแปลงข้อมูลรับความรู้สึกชั่วคราว การตรึงแขนขาไม่ให้เคลื่อนไหว และการกระตุ้น MI ซ้ำๆ

สารตั้งต้นและกลไกของ Plasticity ภายใน M1

หลักฐานล่าสุดแสดงให้เห็นโดยตรงว่า MI มีทั้งสารตั้งต้น (substrate) และกลไก (mechanism) สำหรับการเกิด plasticity สารตั้งต้นที่เป็นตัวเลือกสำคัญคือระบบการเชื่อมต่อแนวนอน (horizontal connections) ที่แผ่กระจายทั่ว MI

การปิดกั้นการยับยั้งแบบ GABAergic เฉพาะจุดได้เผยให้เห็นแผนที่การเคลื่อนไหวที่ซ่อนอยู่ (occult motor maps) ใน MI ซึ่งบ่งชี้ว่าการเชื่อมต่อแนวนอนเหล่านี้ถูกยับยั้งไว้ตามปกติผ่านกลไก feed-forward inhibition การปลดปล่อย GABA เฉพาะที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแผนที่คล้ายคลึงกับที่เกิดขึ้นหลังการตัดเส้นประสาท แสดงให้เห็นว่า M1 มีวงจรภายในที่จำเป็นสำหรับการจัดระเบียบใหม่อยู่แล้ว

หลักฐานสำคัญอีกชิ้นหนึ่งมาจากการเปรียบเทียบโดยตรงระหว่างการกระจายตัวของการเชื่อมต่อภายในคอร์เทกซ์กับตำแหน่งที่เกิดการเปลี่ยนแปลงแผนที่ พบว่าการตัดเส้นประสาทใบหน้าในหนูทำให้เกิดการจัดระเบียบใหม่ของ MI เฉพาะในบริเวณที่มีการเชื่อมต่อแนวนอนเข้มแข็งระหว่างบริเวณหนวดกับบริเวณขาหน้าเท่านั้น ส่วนบริเวณที่ไม่มีหรือมีการเชื่อมต่อเบาบางจะไม่เกิดการจัดระเบียบใหม่อย่างมีนัยสำคัญ

การศึกษาด้วย motor cortex slice preparation ยังพบเส้นทางแนวนอนที่กว้างขวางและแข็งแรงในเชิงหน้าที่ใน MI ซึ่งครอบคลุมชั้นผิว (layer II/III) และชั้นลึก (layer V) โดยตัวรับกลูตาเมตเป็นตัวกลางสำคัญของการเชื่อมต่อกระตุ้นแนวนอนเหล่านี้ ขณะที่การยับยั้งแบบ feed-forward GABA ทำหน้าที่ควบคุมความแรงของการกระตุ้น

กลไกที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงระยะยาวของความแข็งแรงไซแนปส์คือกระบวนการ Long-Term Potentiation (LTP) และ Long-Term Depression (LTD) ซึ่งความแข็งแรงของการเชื่อมต่อสามารถปรับขึ้นด้วย LTP หรือปรับลงด้วย LTD ขึ้นอยู่กับรูปแบบการกระตุ้น โดยความถี่ต่ำมักกระตุ้นให้เกิด LTD ขณะที่ความถี่สูงทำให้เกิด LTP เช่นเดียวกับระบบฮิปโปแคมปัส plasticity ใน MI ขึ้นอยู่กับตัวรับ NMDA (N-methyl-D-aspartate receptor) เป็นสำคัญ

ที่น่าสนใจคือ การเหนี่ยวนำ LTP ใน MI ที่โตเต็มวัยมีข้อจำกัดมากกว่าบริเวณอื่น โดย LTP ของเส้นทางแนวนอนเพียงอย่างเดียวจะไม่เกิดขึ้น เว้นแต่จะมีการลดการยับยั้งชั่วคราวระหว่างการกระตุ้น หรือมีการกระตุ้นเส้นทางแนวตั้ง (vertical pathways) ร่วมด้วย ซึ่งบ่งชี้ว่าการปรับเปลี่ยนใน MI ที่โตเต็มวัยต้องการบริบทเฉพาะ คือการเปลี่ยนแปลงระดับการยับยั้งหรือกิจกรรมร่วมของเส้นทางภายนอกที่จะเปิด “หน้าต่างโอกาส” สำหรับการจัดโครงสร้างใหม่

M1 กับการเรียนรู้

งานวิจัยนี้แบ่งการเรียนรู้การเคลื่อนไหวออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ motor-skill learning (การเรียนรู้ทักษะการเคลื่อนไหวใหม่ เช่น การเรียนรู้ลำดับการเคลื่อนไหวมือใหม่สำหรับเล่นเปียโน) และ motor adaptation ซึ่งแบ่งย่อยเป็น sensory-motor adaptation (การปรับตัวต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลง) และ conditional sensory-motor association (การเรียนรู้ความสัมพันธ์ใหม่ระหว่างสิ่งเร้ากับการเคลื่อนไหว เช่น การเรียนรู้ที่จะเปลี่ยนเท้าจากคันเร่งไปเบรกเมื่อไฟแดง)

หลักฐานจากสัตว์ทดลอง

การเปลี่ยนแปลงแผนที่ M1 ในสัตว์ทดลองพบความสัมพันธ์กับการได้มาซึ่งทักษะการเคลื่อนไหวใหม่ ทั้งในลิงที่เรียนรู้การเคลื่อนไหวแบบ step tracking ด้วยการนำทางสายตา และในหนูที่เรียนรู้การเอื้อมหยิบอาหารอย่างชำนาญ การศึกษาที่สามารถควบคุมตัวแปรได้ดีกว่าคือการเรียนรู้ความสัมพันธ์ sensory-motor ซึ่งพบการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการยิงสัญญาณของเซลล์ประสาท MI บางส่วนอย่างชัดเจนระหว่างกระบวนการเรียนรู้

หลักฐานจากมนุษย์: การทำซ้ำและการฝึกฝน

การแทนตำแหน่งการเคลื่อนไหวใน M1 ของมนุษย์มีความไวต่อทั้งประสบการณ์ระยะสั้นและระยะยาว การทำซ้ำการเคลื่อนไหวเดี่ยวๆ หรือลำดับการเคลื่อนไหวของนิ้วสามารถเปลี่ยนแปลงการแทนตำแหน่งใน MI ได้อย่างรวดเร็ว บางกรณีเกิดขึ้นได้ภายในเวลาเพียง 5-10 นาทีของการทำซ้ำ แม้ส่วนใหญ่จะต้องใช้เวลา 20-30 นาที

การศึกษาด้วยภาพถ่ายสมองยังแสดงให้เห็นว่าการทำซ้ำลำดับการเคลื่อนไหวที่รู้จักอยู่แล้วสามารถเปลี่ยนแปลงปริมาณการกระตุ้น MI ที่ตรวจพบด้วย fMRI ได้ทั้งภายในครั้งเดียวและข้ามครั้ง อย่างไรก็ตาม ผลการศึกษามีความขัดแย้งกันบ้าง บางการศึกษาพบว่าการกระตุ้น M1 ลดลงเมื่อทำซ้ำ ขณะที่อีกหลายการศึกษาพบว่าเพิ่มขึ้น ซึ่งความแตกต่างนี้อาจเกี่ยวข้องกับวิธีการสร้างภาพที่ต่างกัน หรือตัวแปรการเคลื่อนไหวที่แต่ละการศึกษาควบคุม

การเรียนรู้ลำดับการเคลื่อนไหว

มนุษย์สามารถเรียนรู้ทักษะการเคลื่อนไหวแบบลำดับได้อย่างง่ายดาย เช่น การขี่จักรยานหรือการพิมพ์ดีด งานวิจัยที่ใช้ serial reaction time task ซึ่งเป็นวิธีพฤติกรรมศาสตร์ที่แยกแยะระยะ implicit และ explicit ของการเรียนรู้ได้อย่างชัดเจน พบว่า TMS สามารถกระตุ้นให้เห็นการขยายตัวของการแทนตำแหน่งกล้ามเนื้อนิ้วใน M1 ในระยะ implicit learning โดยการเปลี่ยนแปลงนี้มีความสัมพันธ์แบบผกผันกับการลดลงของเวลาปฏิกิริยาตอบสนอง (reaction time) การขยายตัวของการแทนตำแหน่งเริ่มหดกลับก่อนที่ผู้ทดลองจะมีความรู้แบบ explicit เกี่ยวกับลำดับการเคลื่อนไหว

อย่างไรก็ตาม หลักฐานชี้ว่า M1 อาจมีบทบาทมากกว่าในแง่ของกลไก effector (การควบคุมกล้ามเนื้อที่ใช้จริง) มากกว่าในกระบวนการเรียนรู้ลำดับโดยตรง เนื่องจากการกระตุ้น M1 ที่เพิ่มขึ้นระหว่างการเรียนรู้ลำดับจะไม่เกิดขึ้น หากผู้ทดลองได้รับข้อมูลล่วงหน้าว่าลำดับนั้นมีระเบียบ หรือได้รับลำดับจริงมาก่อน

การเรียนรู้ความสัมพันธ์ Sensory-Motor

ในทางตรงกันข้ามกับข้อมูลจากลิง ซึ่งพบว่าเซลล์ประสาท M1 มีบทบาทชัดเจนในการเรียนรู้ความสัมพันธ์แบบมีเงื่อนไข ข้อมูลในมนุษย์กลับชี้ว่า MI ของมนุษย์ไม่มีความสัมพันธ์ที่ชัดเจนนักกับการเรียนรู้ความสัมพันธ์การเคลื่อนไหวแบบมีเงื่อนไข โดยพบว่าโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับ MI เช่น lateral premotor cortex กลับแสดงการกระตุ้นที่ชัดเจนกว่าในกระบวนการเรียนรู้ลักษณะนี้

หลักฐานบทบาทของวงจรภายในคอร์เทกซ์ในการเรียนรู้

หลักฐานโดยตรงที่เชื่อมโยงการเรียนรู้ทักษะกับการเปลี่ยนแปลงวงจร M1 มาจากการศึกษาในหนูที่เรียนรู้การเอื้อมหยิบอย่างชำนาญ พบว่าประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อแนวนอนในชั้น II-III ของ M1 เพิ่มขึ้นในด้านที่ได้รับการฝึกฝน เมื่อเทียบกับด้านที่ไม่ได้ฝึก การเพิ่มประสิทธิภาพนี้เชื่อมโยงกับกลไกคล้าย LTP และเมื่อทดสอบการเหนี่ยวนำ LTP เพิ่มเติมหลังการเรียนรู้ พบว่า MI ด้านที่ฝึกแล้วมีการเหนี่ยวนำ LTP ได้น้อยกว่า (เนื่องจากถูก “ใช้” ไปแล้วบางส่วน) ซึ่งเป็นหลักฐานโดยตรงที่เชื่อมโยงการเชื่อมต่อแนวนอนใน M1 กับกระบวนการเรียนรู้ทักษะ

MI กับการรู้คิด (Cognition)

บทบาทของ M1 ในด้านการเรียนรู้สนับสนุนแนวคิดที่ว่า M1 อาจมีบทบาทนอกเหนือจากการควบคุมการเคลื่อนไหว โดยมีความเกี่ยวข้องกับกิจกรรมด้านการรู้คิดด้วย หลักฐานสำคัญพบเกือบ 25 ปีก่อนหน้างานทบทวนนี้ว่าเซลล์ประสาท M1 เปลี่ยนแปลงอัตราการยิงสัญญาณขณะที่ลิงรอคำสั่งให้เริ่มเคลื่อนไหวโดยยังไม่ได้เคลื่อนไหวจริง ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์ประสาท M1 อาจสามารถเก็บข้อมูลก่อนการเคลื่อนไหว (premotor information) ไว้ได้ในช่วงเวลาสั้นๆ คล้ายกับฟังก์ชันความจำขั้นพื้นฐาน

นอกจากนี้ เซลล์ประสาท M1 ยังสามารถเข้ารหัสตัวแปรการเคลื่อนไหวระดับสูง (higher-order) เช่น ทิศทางการเคลื่อนไหว ระยะทาง ตำแหน่งเป้าหมาย หรือเป้าหมายของการเคลื่อนไหว ซึ่งบ่งชี้ว่าเซลล์ประสาท MI ไม่ได้เพียงเข้ารหัสคุณสมบัติการเคลื่อนไหวอย่างง่าย เช่น แรง เท่านั้น

Mental Rehearsal และ Motor Imagery

การซ้อมในใจ (mental rehearsal) หรือ motor imagery ดูเหมือนจะเกี่ยวข้องกับ M1 แม้ผลการศึกษาจะมีความขัดแย้งกันอยู่บ้าง การศึกษาในระยะแรกด้วย PET ชี้ว่ามีเพียงคอร์เทกซ์สั่งการที่ไม่ใช่ MI เท่านั้นที่กระตุ้นระหว่าง mental rehearsal แต่การศึกษาในเวลาต่อมาด้วยวิธีการกระตุ้นผ่านกะโหลกศีรษะและการวัดกิจกรรมไฟฟ้าสมอง กลับให้หลักฐานว่าวงจร M1 มีการทำงานในระหว่าง motor imagery เช่นกัน ความแตกต่างของผลลัพธ์น่าจะมาจากความซับซ้อนของงานหรือวิธีการที่แตกต่างกัน

หลักฐานเชิงชี้ขาดสำหรับบทบาทด้านการรู้คิด

การทดลองที่อาจให้หลักฐานชัดเจนที่สุดสำหรับบทบาทของ 1I ในการรู้คิด คืองานวิจัยที่ตรวจสอบการกระตุ้นสมองด้วย fMRI ขณะผู้เข้าร่วมใช้กฎตรรกะที่เรียนรู้มาก่อนหน้าเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างคู่สิ่งเร้าทางสายตา ซึ่งเกี่ยวข้องกับการอนุมานแบบสกรรมกริยา (transitive inference) เช่น หาก A น้อยกว่า B และ B น้อยกว่า C จึงสรุปความสัมพันธ์ระหว่าง A และ C ได้ ผลการศึกษาพบว่า แม้บริเวณ parietal และ prefrontal จะแสดงการกระตุ้นที่จำเพาะต่อการใช้กฎอนุมานนี้มากกว่าการใช้กฎเชิงการรับรู้ทั่วไป แต่ M1 ก็แสดงลักษณะการกระตุ้นที่สามารถตีความได้ว่ามีบทบาทในการประยุกต์ใช้กฎอนุมานแบบสกรรมกริยาเช่นกัน

บทสรุป

การเปลี่ยนแปลงความเข้าใจเกี่ยวกับการจัดระเบียบเชิงหน้าที่ของคอร์เทกซ์สั่งการและการปรับเปลี่ยนของมันเกี่ยวกับการเรียนรู้และการรู้คิด ได้ผลักดันให้เกิดการเปลี่ยนมุมมองต่อ M1 อย่างมีนัยสำคัญ แนวคิดที่ว่า M1 เป็นเพียง “แป้นพิมพ์ประสาทแบบคงที่” (static neural keyboard) ที่จัดระเบียบแยกส่วนชัดเจนนั้นไม่สามารถยืนยันได้อีกต่อไป แทนที่ด้วยข้อมูลปัจจุบันที่ชี้ว่า M1 ประกอบด้วยโมดูลหลายส่วนที่เกี่ยวข้องกับระบบหลักที่แตกต่างกัน คือ ศีรษะ แขน และขา โดยแต่ละโมดูลมีลักษณะเป็นเครือข่ายประสาทแบบกระจาย ซึ่งเซลล์ประสาททุกตัวในเครือข่ายนั้นล้วนมีศักยภาพในการมีส่วนร่วมต่อการเคลื่อนไหวทุกรูปแบบของอวัยวะนั้น

การปรับสมดุลระหว่างการกระตุ้นและการยับยั้งภายใน M1 สามารถเปลี่ยนแปลงการจัดระเบียบของมันได้ และเผยให้เห็นสถาปัตยกรรมอันสมบูรณ์ที่รองรับโครงสร้างการจัดระเบียบได้หลากหลายรูปแบบ นอกจากนี้ คอร์เทกซ์สั่งการยังดูเหมือนมีความสำคัญทั้งต่อการเรียนรู้การเคลื่อนไหวใหม่และการผลิตการเคลื่อนไหวทั้งใหม่และเก่า โดยไม่ได้ลดทอนความสำคัญของซีรีเบลลัมในฐานะแหล่งของการเรียนรู้การเคลื่อนไหวบางรูปแบบ แต่เป็นการขยายขอบเขตของโครงสร้างที่เกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่นทางพฤติกรรมอันน่าทึ่งของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม ท้ายที่สุด กิจกรรมในคอร์เทกซ์สั่งการดูเหมือนได้รับอิทธิพลจากตัวแปรด้านการรู้คิดด้วย ซึ่งบ่งชี้ว่า M1 ควรถูกพิจารณาเป็นส่วนหนึ่งของเครือข่ายคอร์เทกซ์ที่ใหญ่กว่า ซึ่งสามารถมีส่วนร่วมอย่างกระตือรือร้นในการตัดสินใจเคลื่อนไหวบนพื้นฐานของความพยายามด้านการรู้คิดภายใน

เอกสารอ้างอิง

Sanes, J.N., & Donoghue, J.P. (2000). Plasticity and primary motor cortex. Annual Review of Neuroscience, 23, 393–415. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.23.1.393

Jacobs, K.M., & Donoghue, J.P. (1991). Reshaping the cortical motor map by unmasking latent intracortical connections. Science, 251(4996), 944–947.

Hess, G., & Donoghue, J.P. (1994). Long-term potentiation of horizontal connections provides a mechanism to reorganize cortical motor maps. Journal of Neurophysiology, 71(6), 2543–2547.

Rioult-Pedotti, M.S., Friedman, D., Hess, G., & Donoghue, J.P. (1998). Strengthening of horizontal cortical connections following skill learning. Nature Neuroscience, 1(3), 230–234.

Karni, A., Meyer, G., Jezzard, P., Adams, M.M., Turner, R., & Ungerleider, L.G. (1995). Functional MRI evidence for adult motor cortex plasticity during motor skill learning. Nature, 377(6545), 155–158.

Pascual-Leone, A., Grafman, J., & Hallett, M. (1994). Modulation of cortical motor output maps during development of implicit and explicit knowledge. Science, 263(5151), 1287–1289.

Schieber, M.H., & Hibbard, L.S. (1993). How somatotopic is the motor cortex hand area? Science, 261(5120), 489–492.

Donoghue, J.P., Suner, S., & Sanes, J.N. (1990). Dynamic organization of primary motor cortex output to target muscles in adult rats. II. Rapid reorganization following motor nerve lesions. Experimental Brain Research, 79(3), 492–503.

Acuña, B.D., Wang, C.K., Sanes, J.N., & Donoghue, J.P. (1998). Transitive inference mechanisms and the involvement of prefrontal cortex. Society for Neuroscience Abstracts, 23, 1178.